用唯一的方法測量紅矮星的半徑!

2020-12-05 遨遊世界科學

宇宙中有一種神秘的恆星,它們數量眾多,卻又小又暗,它們就是紅矮星。

2014年4月23日,由兩顆紅矮星組成的雙子星——DG CVn在美國宇航局的雨燕號宇宙飛船上釋放了一系列強大的耀斑,讓全世界再次對紅矮星有了一次全新的認識。

為了更加深入地研究紅矮星,我們必須了解它的基礎信息,因為我們很難看到恆星的內部,尤其是當它們非常遙遠的時候。大多數天文觀測都是由注視微小的光點組成的。由此,我們必須試著去理解所有類型的恆星是如何誕生、進化、生存和最終死亡的。

紅矮星,通常被稱為M矮星,尤其棘手,這使得它們更難研究。理論模型甚至直接觀測都對它們有多大以及應該有多大存在分歧,但希望一些關於日食雙星的新觀測能讓我們窺見它們的內部結構。

恆星半徑

我們知道恆星的半徑不容易探測,這取決於各種因素,有些是顯而易見的,有些則不是那麼顯而易見。例如,一顆恆星的質量肯定與它的半徑有某種關係。一般來說,恆星質量越大,它就越大。但實際上,恆星的半徑是由它的核心有多熱決定的,以及它能多有效地將熱量釋放到太空中。如果它有一個非常強烈的核心,那麼恆星就必須想辦法把所有的熱量從內部轉移到外部。如果恆星的內部真的非常善於輸送熱量,那麼恆星就可以用相對較小的表面積,也就是半徑逃脫。但是如果恆星內部很複雜,或者一般來說不擅長傳遞熱量,那麼為了補償,恆星必須有很大的表面積。這樣它才能有效地把所有的熱量排入太空的冷真空中。

儘管紅矮星體積較小,但其內部結構卻特別複雜。它們的核心相當熱,可以將氫聚變成氦,但內核和表面之間的關係是高能等離子體物理的複雜轉化。

理想情況下,我們應該使用一組恆星來檢查。如果我們能近距離精確地觀察到一個健康的恆星樣本的溫度、金屬含量、年齡和半徑,那麼我們就可以利用這些數據來調整我們的理論模型,為那些恆星內部的物理學建立一個堅實的案例,但是我們沒有。

測量紅矮星的半徑

要掌握一顆恆星的半徑,唯一的方法之一就是通過一對恰好排列正確的恆星,使它們在我們的視線範圍內相互遮擋。當我們觀察這個系統時,我們可以看到當它們在彼此前面經過時閃爍的頻率。當一顆恆星從另一顆恆星前面經過時,它會影響我們所看到的光的含量,我們可以用一種儀器捕捉到這一點,比如美國宇航局最近退休的克卜勒太空飛船。該飛船最初是為了尋找系外行星而設計的,同樣的技術也可以用來研究這些日食雙星。

當然,事情並沒有那麼簡單。我們看到的是系統總亮度的變化。要掌握恆星本身的特性,甚至是半徑,需要進行一些複雜的建模。值得慶幸的是,天文學家是一群聰明的人,他們能夠盡最大努力從雙星中得到一些對恆星屬性的合理估計。一些對紅矮星日食雙星的觀測表明,紅矮星的半徑比根據我們最好的理論模型推測的要大。

於是科學家猜測要使恆星變大,就必須有一種方法來抑制從核心到外部的熱量流動。也許紅矮星具有更快的自轉速度,從而產生強大的磁場,甚至可能比太陽的磁場還要強。強磁場可以開始與恆星內部進行對衝。例如,它們可能會抑制對流,使熱量更難從內部流向外部。或者他們可以開始擾亂恆星黑子的形成,確保恆星表面沒有裂縫或裂縫出現,並保持一個眾所周知的恆星蓋住所有的熱量,通過研究這些熱量,最終得出我們想要的結果。

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