Science：「慵懶」的太陽——新研究發現太陽比其它類太陽恆星更不活躍

Science：「慵懶」的太陽——新研究發現太陽比其它類太陽恆星更不活躍

太陽活動水平代表了太陽輸出磁場能量的變化，也代表了太陽對地球/行星系統的影響力，探究太陽活動水平的演化，是理解太陽系各行星空間圈層演化的重要一環。由於太陽演化本身觀測資料和地球保存的資料有限，我們最多可以獲得其在全新世的演化，對於更長時間尺度上的演化，只能藉助於其它類太陽恆星來推演。然而，目前對太陽活動水平與類太陽恆星活動水平是否相似一直存在爭議。

恆星的自轉周期與其磁活動密切相關。之前的類太陽恆星活動性研究並沒有要求其自轉周期接近太陽自轉周期，這很可能會影響研究結果。最近，克卜勒太空望遠鏡的觀測數據為我們提供了成千上萬顆恆星的自轉周期信息（Reinhold et al. 2013; McQuillan et al. 2014），這為加入恆星自轉周期限定參數提供了契機。德國馬普太陽系研究所Reinhold et al.（2020）在對比太陽和類太陽恆星活動水平時加入了自轉周期的限制條件，結果發現太陽的活動水平比同類型恆星的活動水平要弱。

克卜勒太空望遠鏡對天鵝座和天琴座星座區域的星空有持續4年之久的高質量觀測數據，這些數據為研究恆星活動提供了很好的機會。基於克卜勒太空望遠鏡觀測到的恆星，Reinhold et al. （2020）採用了34030顆具有確定的自轉周期的恆星樣本和99000顆未探測到自轉周期的恆星樣本。作者按照是否探測到確定的自轉周期將恆星樣本分為「有明確周期」恆星樣本和「無明確周期」恆星樣本。分別從「有明確周期」恆星樣本和「無明確周期」恆星樣本中挑選出有效溫度T_eff、表面重力log g與太陽接近的恆星樣本。對於「有明確周期」恆星樣本，將自轉周期限定在20至30天（太陽：24.47天）。進一步基於蓋亞飛船（Gaia spacecraft）的天體測量數據構建的赫羅圖，限定了恆星的年齡和金屬豐度[Fe/H]（圖1黑色實線和虛線之間）。最終經過所有判據挑選出369顆具有明確自轉周期的類太陽恆星（圖1A中深藍色點）和2529顆未探測到明確自轉周期的偽太陽恆星（圖1B中深藍色點）。作者將「有明確周期」恆星樣本稱之為類太陽（solar-like）恆星，「無明確周期」恆星樣本稱之為贗太陽（pseudo-solar）恆星。

圖1 恆星樣本的赫羅圖。(A）和(B）中深藍色點分別標示了用於本研究的周期性恆星樣本和非周期性恆星樣本在赫羅圖的位置（Reinhold et al., 2020）

黑子是表徵恆星活動的重要參量，它在恆星表面分布不均，會導致恆星測光光度隨自轉而發生變化。黑子數量和分布的變化可改變恆星的光變幅度，因此恆星的光度變化可以表徵恆星活動，光度變化振幅越大，代表恆星活躍程度越高。

作者採用光變曲線的95%分位和5%分位的差值Rvar來表徵太陽和所選恆星的光度變化幅度。研究表明，類太陽恆星光度的變化幅度比太陽更高（圖2），多數類太陽恆星的光度變化幅度（圖3藍色）遠高於太陽過去140年的最大值（圖3綠色），即大多數接近太陽自轉周期的類太陽恆星比太陽更活躍。太陽與活動較低的恆星有相似的Rvar分布，而這些活動較低的恆星主要來自於那些沒有明確探測到自轉周期的贗太陽恆星。從這個角度來看，如果用克卜勒望遠鏡來觀測太陽，那麼太陽很可能會被歸類為贗太陽恆星。

圖2 太陽和三顆具有明確自轉周期的恆星的光變曲線。（A）橙色實線標示太陽光度最大變化範圍；（B-D）紅色實線和紅色虛線分別標示修正前和修正後（修正對恆星有效溫度、自轉速度、金屬豐度等基本參數的依賴）的Rvar（Reinhold et al., 2020）

圖3 太陽和恆星光變幅度分布。淺綠色標示太陽的結果，深藍色標示周期性恆星樣本修正後的結果，黑色標示綜合恆星樣本（有明確周期恆星樣本+無明確周期恆星樣本）的結果。黃色線是用對綜合恆星樣本擬合結果（Reinhold et al., 2020）

關於為什麼太陽的活動性弱於同類型的恆星，作者提出了兩種可能的原因：（1）類太陽恆星與贗太陽恆星和太陽之間可能存在目前無法認知的差異。例如：由於太陽內部較差自轉的改變，太陽發電機可能正在過渡到較低的活動狀態（Metcalfe et al. 2016, 2017）。依據這一解釋，類太陽恆星具有更高的活動性，而偽太陽恆星可能正在向低活動期轉變或正處在低活動期。（2）綜合樣本（有明確周期恆星樣本+無明確周期恆星樣本）代表了太陽所有可能呈現的情況。在這種情況下，測量到的太陽活動分布之所以與類太陽恆星不同，只是因為太陽在過去140年裡沒有表現出其全部的活動範圍。但基於宇宙同位素重建的9000多年的太陽活動數據表明，太陽活動並沒有比過去140年更高。這可能是因為太陽在大於9000年尺度上在高活動和低活動之間交替。

目前的分析結果還無法回答這一問題。值得期待的是，凌星系外行星巡天衛星（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）和未來的行星凌星和恆星振蕩（Planetary Transits and Oscillations of stars，PLATO）空間任務將提供大量的恆星樣本（Santos and Mathur, 2020），雖然這些恆星樣本數據是一定時間段內的觀測結果，難以直接獲得恆星活動水平長期演化的準確描述，但這些任務可以將恆星樣本擴展到更亮的恆星，從而可以用地面望遠鏡對所觀測到的恆星進行長期追蹤，並獲得更多恆星樣本的長時間觀測資料。未來太空望遠鏡與地面望遠鏡的結合，或許會幫助我們回答這一問題。

【致謝：感謝中科院國家天文臺賀晗研究員和德國馬普太陽系研究所楊丹博士的寶貴修改建議。】

主要參考文獻

McQuillan A, Mazeh T, Aigrain S. Rotationperiods of 34,030 Kepler main-sequence stars: the full autocorrelationsample[J]. The Astrophysical Journal Supplement Series, 2014, 211(2）: 24.

Metcalfe T S, Egeland R, Van Saders J. Stellar evidence that thesolar dynamo may be in transition[J]. The Astrophysical Journal Letters, 2016,826(1）: L2.

Metcalfe T S, van Saders J. Magnetic evolution and the disappearanceof sun-like activity cycles[J]. Solar Physics, 2017, 292(9）: 126.

Reinhold T, Reiners A, Basri G. Rotation and differential rotationof active Kepler stars[J]. Astronomy & Astrophysics, 2013, 560: A4.

Reinhold T, Shapiro A I, Solanki S K, et al. The Sun is less activethan other solar-like stars[J]. Science, 2020, 368(6490）: 518-521.

Santos ？ R G, Mathur S. What future awaits the Sun?[J]. Science, 2020,368(6490）: 466-467.

（撰稿：閆麗梅/地星室）

校對：張騰飛