四年前，天文學家發現了幾顆巨大的恆星——紅巨星。但伴隨而來的卻是一個悖論的誕生：儘管它們是由非常古老的恆星物質構成的，但它們的巨大質量卻清楚地表明它們的年齡很小。這幾顆紅巨星的年齡之謎究竟是怎麼來的？最近，來自德國馬克斯普朗克太陽系研究所、丹麥奧爾胡斯大學和美國俄亥俄州立大學的科學家通過調查恆星從核心到表面的碳、氮和氧豐度，似乎解開了這一悖論。
在主序星（如太陽）的生命末期，恆星會變成紅巨星。
圖片來源 / SAGE-group/MPS
一
恆星在數百萬年甚至數十億年的生命歷程中，會經歷不同的演化階段——主序星（比如我們現在的太陽）、紅巨星、白矮星，它們的外觀有很大的不同。但是，恆星也像是害羞又傲嬌的姑娘，它們可不會輕易暴露年齡，至少乍看之下，我們是很難分辨它們到底多少歲了的，而且，不同恆星在每個階段持續的時間也各不相同。
不過，這些困難並不能阻止天文學家的求知慾，在揭開恆星年齡這一方面，從事天文學和天體物理學的研究人員們就宛若不解風情的鋼鐵直男，總是堅定地抱著勢必要揭開恆星年齡的決心。他們通過深入地觀察，終於可以重現一顆恆星的全部生命歷程。在不斷的探索下，他們已經擁有了各種用來測定恆星年齡的可靠方法。
但也有一些棘手的案例，比如在四年前，來自萊布尼茨天體物理研究所和馬普天文研究所的兩個研究團隊就發現了一些奇怪的紅巨星。在對這些紅巨星進行年齡測定後，他們得出了相差整整40億年的結果——為什麼這些紅巨星可以集年輕與年邁於一身？
二
從那時起，這一矛盾的發現就引發了許多天文學家的興趣。現在，科研人員終於為其中一部分神秘的紅巨星揭開了年齡悖論之謎，他們的結論是：這些奇怪的恆星只是在佯裝年輕，它們的年紀實際上很大！
從這些紅巨星的構成材料來看，它們似乎已經有超過100億年的古老歷史了。它們有著相對較少的含鐵量——這是一種伴隨著星系的演化過程而緩慢產生的元素，因此，與鎂、矽和鈣等其他元素相比，鐵在古老恆星中的含量會很少，而在年輕的恆星中則含量更多。
若要依據元素比例來判斷恆星年齡，研究人員一般需要通過繪製恆星的光譜來確定恆星中的元素。他們將來自恆星的光分成不同的波長，得到一個光譜。在恆星內部發現的每一種元素都會在光譜中留下某種特殊的印記。
另一種確定恆星年齡的方法依據的是星震學，也就是通過觀測恆星的振蕩特性，來推斷恆星的質量。研究人員發現，這些匪夷所思的紅巨星有著非常大的質量。質量大的恆星意為著它們內部的溫度會非常高，裡面的燃料也燃燒得相對較快。因此，大質量恆星的壽命通常比低質量的恆星要短得多。科學家們通過星震學方法，測出了這些恆星的年齡小於60億年。
三
到底是100億年還是60億年？新的研究似乎解開了這個謎題。研究人員發現，這些紅巨星中的一些似乎有著極其曲折的過去，在它們從主序星向紅巨星轉化的期間或之後，可能與其他恆星發生了合併。因此，這些年邁的恆星有雖然有著巨大的質量，但這種質量並不是它們的原始屬性，所以也不能用質量作為測定它們年齡的標準。
這樣一來，測量恆星表面的碳、氮和氧的量就成了揭開年齡之謎的關鍵方法了。通過測量這些元素的豐度，研究人員就相當於可以間接地觀測到恆星內部。當主序星朝著生命的盡頭邁進變成紅巨星時，其內部的工作原理會發生改變：核心形成的碳、氮、氧會上翻到表層巨大的等離子體流中，並被探測到。然後根據恆星的溫度和質量，我們就可以得到恆星不同元素的比例。
在一些測量中，研究人員得出了一些對應於低質量恆星的值。也就是說，在這些恆星成為紅巨星之前，它們的質量是相對較輕的。由此推斷它們現有的高質量是源於在變成紅巨星之後，與其他恆星融合在一起才產生的。
四
不過這一解釋並不適用於這次研究的所有紅巨星。研究人員發現，其中一些紅巨星的超高質量（通過星震學方法測得的）與它們表面的碳、氮和氧的含量是相吻合的。因此他們推測，這些恆星可能在早期發展階段，也就是核物質還沒有翻轉到恆星表面之前就與其他恆星合併了。不過，這只是一種合理的推測，我們仍需等待最終的確切解釋。
除此之外，新的研究還為研究恆星的碰撞與合併頻率提供了一種新方法。對於那些有著動蕩歷史的紅巨星，我們現在可以採用這樣一種間接地方式，「婉轉」地追問恆星的年齡。
原文 /
https://phys.org/news/2019-06-heart-solution-red-giants-age.html
撰文 / 不二北鬥
來源 / 原理 編輯 / 懷塵
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