測(cè)定恒星年齡的新方法

□ 文 何銳思

（Richard de Grijs） / 翻譯 程思淼

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測(cè)定恒星年齡的新方法

□ 文 何銳思

（Richard de Grijs） / 翻譯 程思淼

小的時(shí)候，每次過(guò)生日我們都要慶祝一番，但是長(zhǎng)大后，過(guò)生日就不那么興奮了。隨著年齡的增長(zhǎng)，我們?cè)絹?lái)越不容易激動(dòng)，生活的節(jié)奏也趨于平緩。有趣的是，當(dāng)恒星變老時(shí)，它們的節(jié)奏也會(huì)慢下來(lái)：年輕的恒星比老年恒星自轉(zhuǎn)得更快。不過(guò)，它們的年齡仍是塵封的秘密?，F(xiàn)在，天文學(xué)家正在利用前一個(gè)事實(shí)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：從恒星的自轉(zhuǎn)中“套”出它們的年齡來(lái)。

“我們的目標(biāo)是造一臺(tái)能夠根據(jù)恒星的自轉(zhuǎn)精確測(cè)出它們年齡的鐘。我們?cè)谠扃姷穆飞弦呀?jīng)又邁出了重要的一步?！惫鹗访芩商祗w物理中心（CfA）的科學(xué)家索倫?麥伯姆（S?ren Meibom）說(shuō)。

何銳思（R i chard de G ri j s）北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所（KI AA）教授，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)天文發(fā)展辦公室東亞分站負(fù)責(zé)人。

麥伯姆在美國(guó)天文學(xué)會(huì)（AAS）一次會(huì)議的發(fā)布會(huì)上公布了他們團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)。我也參加了那次會(huì)議。他們的成果給我留下了深刻的印象，它和我自己團(tuán)隊(duì)的一些新的見(jiàn)解直接相關(guān)。不過(guò)這點(diǎn)我們待會(huì)兒再說(shuō)。麥伯姆的成果標(biāo)志著這類(lèi)觀(guān)測(cè)的恒星年齡范圍首次擴(kuò)展到了10億歲以上，大踏步向我們太陽(yáng)的年齡——46億歲——挺進(jìn)。

圖2 年輕恒星的年齡是比較好測(cè)定的，因?yàn)樗鼈冏赞D(zhuǎn)更快，而且表面有更大的暗斑。（圖片來(lái)源：D avi d A.Agui l ar, C f A）

有了確定恒星年齡的能力，才可能理解有關(guān)恒星及其周?chē)行堑奶煳默F(xiàn)象。這些現(xiàn)象正是隨著時(shí)間不斷演化發(fā)生的。由于恒星和行星是一起形成的，知道了恒星的年齡，也就知道了它的行星的年齡。地球上的生命能夠像今天這樣復(fù)雜，需要很長(zhǎng)時(shí)間的演化。因此，了解母恒星的年齡，就能夠縮小搜尋外星生命信號(hào)的目標(biāo)范圍。

一顆恒星的自轉(zhuǎn)速率取決于它的年齡。隨著年齡的增長(zhǎng)，它的自轉(zhuǎn)也逐漸變慢，就像一個(gè)沒(méi)人再抽它的陀螺。同時(shí)，恒星的質(zhì)量也影響它的自轉(zhuǎn)。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)：總的來(lái)說(shuō)，質(zhì)量較大的恒星自轉(zhuǎn)要更快些。哈佛天文學(xué)家的這項(xiàng)新研究顯示，恒星的質(zhì)量、自轉(zhuǎn)和年齡之間有著密切的關(guān)系，因此，只要測(cè)量了前兩者，科學(xué)家就能計(jì)算出后者。

“現(xiàn)在，觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)很好地確定了恒星的質(zhì)量、自轉(zhuǎn)速率與年齡之間的關(guān)系。我們能夠在10%的誤差之內(nèi)得到單個(gè)恒星的年齡。”來(lái)自德國(guó)萊布尼茲天體物理研究所的合作者西德內(nèi)?巴爾內(nèi)斯（Sydney Barnes）解釋道?；谇捌诘难芯浚蜖杻?nèi)斯在2003年首次提出了這個(gè)方法，并把它稱(chēng)為自轉(zhuǎn)年齡學(xué)（gyrochronology），這個(gè)詞來(lái)自希臘語(yǔ)gyros（自轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)）、chronos（年代，年齡）和logos（論、道理、學(xué)問(wèn)）。

圖3 測(cè)定老年恒星的年齡比較困難，因?yàn)樗鼈冏赞D(zhuǎn)較慢，表面的暗斑也較小。（圖片來(lái)源：D avi d A.Agui l ar, C f A）

想要測(cè)量一顆恒星的自轉(zhuǎn)，天文學(xué)家會(huì)仔細(xì)觀(guān)察恒星表面的暗斑——相當(dāng)于我們太陽(yáng)上的黑子——所帶來(lái)的恒星亮度的變化。遙遠(yuǎn)的恒星不比我們的太陽(yáng)，它們看上去只是一個(gè)無(wú)法分辨的光點(diǎn)，因此天文學(xué)家無(wú)法直接看到暗斑橫穿恒星的視圓面。但是，科學(xué)家可以觀(guān)察到由于暗斑穿過(guò)而造成恒星亮度的輕微下降，以及暗斑轉(zhuǎn)到背面時(shí)恒星亮度的恢復(fù)情況。

對(duì)于普通的恒星來(lái)說(shuō)，由于這一原因造成的亮度下降遠(yuǎn)小于1%，而且暗斑穿過(guò)恒星視圓面需要好幾天，因此要測(cè)出這一變化十分困難。前文提到的這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)使用美國(guó)航天局（NASA）開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡達(dá)成了這一目標(biāo)。開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡本來(lái)的使命是用“凌星法”搜尋系外行星，因此對(duì)天鵝座一片天區(qū)里的恒星的亮度進(jìn)行了精確而持久的觀(guān)測(cè)。

為了讓“自轉(zhuǎn)年齡學(xué)”得出精確的年齡，天文學(xué)家必須通過(guò)測(cè)量那些年齡和質(zhì)量都已知的恒星的自轉(zhuǎn)周期，來(lái)校準(zhǔn)它們的這座新的“鐘”。麥伯姆和他的同事先是研究了一個(gè)年齡為10億年的星團(tuán)，在新近的研究中，他們又用了一個(gè)年齡在25億年的星團(tuán)NGC 6819，顯著擴(kuò)大了年齡的范圍。

圖4 從太陽(yáng)表面噴射而出的鮮艷的橙紅色超高溫帶電氣體（等離子體）弧揭示了從黑子處垂直升起的一片太陽(yáng)磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。目前，天文學(xué)家使用偏振技術(shù)研究太陽(yáng)型恒星表面的磁場(chǎng)。（圖片來(lái)源：H i node, JAXA/ N ASA）

“較老的恒星表面的暗斑也較少、較小，因此它們的自轉(zhuǎn)周期也較難測(cè)定?！丙湶氛f(shuō)。

研究團(tuán)隊(duì)檢查了星團(tuán)中質(zhì)量在0.8到1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星。他們共測(cè)出了30顆星的自轉(zhuǎn)周期，從4天到23天不等。作為比較，太陽(yáng)現(xiàn)在的自轉(zhuǎn)周期是26天。NGC 6819里的8顆跟太陽(yáng)最為相似的恒星的平均自轉(zhuǎn)周期是18.2天，這表明，太陽(yáng)在25億歲時(shí)（也就是約20億年前）的自轉(zhuǎn)周期很有可能就是這個(gè)數(shù)。

隨后，科學(xué)家評(píng)估了現(xiàn)有的幾種從恒星質(zhì)量和年齡計(jì)算它們自轉(zhuǎn)速率的計(jì)算機(jī)模型，確定哪一種與觀(guān)測(cè)最為符合。

“現(xiàn)在，對(duì)于銀河系里大量的冷的場(chǎng)星，我們都能通過(guò)測(cè)量它們自轉(zhuǎn)周期精確地推算出它們的年齡?！丙湶氛f(shuō)?！斑@對(duì)研究恒星和行星演化的天文學(xué)家來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的新工具，它還可以幫助我們找出年齡長(zhǎng)得足以演化出復(fù)雜生命的行星?！?/p>

定義何為“類(lèi)太陽(yáng)”恒星，與定義何為“類(lèi)地行星”一樣困難。太陽(yáng)的“孿生兄弟”應(yīng)該在大氣、質(zhì)量和光譜型等方面都與太陽(yáng)相似。同時(shí)，我們希望它的年齡最好也在45億年上下。不過(guò)測(cè)定恒星年齡的難度有目共睹，因此天文學(xué)家在判斷一顆恒星是否“類(lèi)太陽(yáng)”的時(shí)候，通常不考慮年齡的問(wèn)題。

2014年夏天，“自轉(zhuǎn)年齡學(xué)”技術(shù)首次大展身手：一個(gè)天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)給出了22顆類(lèi)太陽(yáng)恒星的自轉(zhuǎn)年齡學(xué)年齡。在此之前，人們一共只測(cè)到了兩顆類(lèi)太陽(yáng)恒星的自轉(zhuǎn)和年齡數(shù)據(jù)。

“我們已經(jīng)找到了各項(xiàng)性質(zhì)均與太陽(yáng)足夠接近，完全稱(chēng)得上太陽(yáng)‘孿生兄弟’的恒星?！惫鹗访芩商祗w物理中心的若塞?第阿斯?多?納西門(mén)托（Jose Dias do Nascimento）說(shuō)。“通過(guò)類(lèi)太陽(yáng)恒星，我們可以研究太陽(yáng)這樣的恒星的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)。因此，我們就能夠預(yù)言，中心恒星的演化將如何影響像我們太陽(yáng)系這樣的行星系統(tǒng)?！?/p>

借助開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡，多?納西門(mén)托和他的同事們發(fā)現(xiàn)，他們研究的類(lèi)太陽(yáng)恒星自轉(zhuǎn)一圈平均需要21天，作為比較，太陽(yáng)赤道部分的自轉(zhuǎn)周期是26天。他們研究的大部分恒星比太陽(yáng)轉(zhuǎn)得要快，這說(shuō)明它們比我們的太陽(yáng)要更年輕一些。雖然這項(xiàng)突破性研究涉及的22顆星中還沒(méi)有一顆已知擁有行星，但他們的工作仍然邁出了搜尋擁有類(lèi)地行星的類(lèi)太陽(yáng)恒星的重要一步。

圖5 利用N ASA開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡獨(dú)一無(wú)二的能力，索倫?麥伯姆和他的合作者首次測(cè)定了年齡10億年的星團(tuán)N G C 6811中恒星的自轉(zhuǎn)速率。這些恒星的自轉(zhuǎn)周期從1天到11天不等（表面溫度越高、質(zhì)量越大的恒星，自轉(zhuǎn)越快），作為比較，太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)周期是26天。更重要的是，他們發(fā)現(xiàn)，在恒星的質(zhì)量和自轉(zhuǎn)速率之間存在著很強(qiáng)的聯(lián)系，數(shù)據(jù)的彌散很小。這一結(jié)果確證了自轉(zhuǎn)年齡學(xué)方法在研究孤立恒星（不是望遠(yuǎn)鏡不可分辨的雙星）年齡時(shí)的可靠性。（圖片來(lái)源：Ant hony Ayi om am i t i s）

我自己對(duì)這項(xiàng)進(jìn)展一直非常關(guān)注。讀者可能還記得，在2015年1月的文章里，我介紹了我的團(tuán)隊(duì)對(duì)大麥哲倫星系中一個(gè)年齡在10億~20億年范圍內(nèi)的星團(tuán)的研究，研究的結(jié)果曾發(fā)表在《自然》雜志上。我們仔細(xì)分析了這個(gè)星團(tuán)中恒星亮度與它們顏色的函數(shù)關(guān)系，結(jié)論顯示，其中的很多恒星可能具有很高的自轉(zhuǎn)速度。最近，我們又拿到了興隆2.16米望遠(yuǎn)鏡的初步觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證性的研究，看能不能通過(guò)分析光譜得出星團(tuán)中恒星的自轉(zhuǎn)速率——令人驚訝的是，這項(xiàng)工作現(xiàn)在還沒(méi)有任何一個(gè)研究組系統(tǒng)性地去做！我們的初步結(jié)論看上去令人振奮，不過(guò)要做出確定的結(jié)論還為時(shí)尚早。

上個(gè)月，測(cè)定恒星年齡的故事又起了新的波瀾。我們對(duì)之前結(jié)果的理解可能并不像我們想的那樣好……

來(lái)自位于美國(guó)加州帕薩迪納（Pasadena）卡耐基天文臺(tái)的天文學(xué)家詹妮弗?凡?薩德斯（Jennifer van Saders）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)是故事的主角。他們新近的工作表明，對(duì)于年齡大于我們太陽(yáng)的恒星，最近發(fā)展起來(lái)的確定恒星年齡的自轉(zhuǎn)法需要重新校準(zhǔn)。他們對(duì)于老年恒星自轉(zhuǎn)方式有了新的研究發(fā)現(xiàn)，并將結(jié)論發(fā)表在了《自然》雜志上。這一發(fā)現(xiàn)與我們的太陽(yáng)系也密切相關(guān)：他們指出，我們的太陽(yáng)也許正處在磁場(chǎng)轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)上。

隨著恒星變老，它們的自轉(zhuǎn)也會(huì)減慢，這是由于恒星磁場(chǎng)在恒星風(fēng)中的活動(dòng)。恒星風(fēng)是吹離恒星的氣體（等離子體）流，就像我們太陽(yáng)系里的太陽(yáng)風(fēng)一樣。這些吹離的（帶電）氣體處在恒星磁場(chǎng)的控制之下，旋轉(zhuǎn)著向外吹拂，直到逃逸出去。這些物質(zhì)通過(guò)磁場(chǎng)與恒星相連，就好像花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員的手通過(guò)手臂與身體相連。因此，當(dāng)它們被不斷吹離恒星，就像旋轉(zhuǎn)著的花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員伸開(kāi)雙臂，身體旋轉(zhuǎn)的速度便會(huì)隨之減慢一樣，恒星的自轉(zhuǎn)也會(huì)隨之變慢。就恒星來(lái)看，磁場(chǎng)就好像一個(gè)制動(dòng)器。

圖6 藝術(shù)家繪制的假想中的系外行星概念圖。自轉(zhuǎn)年齡學(xué)在研究孤立恒星時(shí)相當(dāng)可靠，而目前發(fā)現(xiàn)的所有擁有行星的恒星都是可分辨的孤立星。（圖片來(lái)源：D avi d A.Agui l ar）

大約在十年前，人們發(fā)現(xiàn)，只要自轉(zhuǎn)速率和質(zhì)量已知，利用這一現(xiàn)象，就可以計(jì)算類(lèi)太陽(yáng)恒星的年齡?？墒牵谛掳l(fā)表的論文中，凡?薩德斯和她的團(tuán)隊(duì)告訴我們，當(dāng)一顆恒星變老后，它的自轉(zhuǎn)速率就不再像我們期待的那樣變慢了。這一修正將影響到自轉(zhuǎn)年齡學(xué)方法對(duì)于老年恒星年齡的計(jì)算。

在自轉(zhuǎn)年齡學(xué)方法出現(xiàn)之前，科學(xué)家使用恒星的那些隨時(shí)間變化的性質(zhì)——比如表面溫度和光度——來(lái)推斷它們的年齡?？墒牵@些變化實(shí)在太慢、太微小了，要由此推算出精確的年齡非常困難。另外一個(gè)（也是新的）方法稱(chēng)作星震學(xué)（asteroseismology）方法，是通過(guò)研究恒星內(nèi)部的聲波，探測(cè)恒星深處發(fā)生氫聚變的恒星核的變化。不過(guò)，做這樣的觀(guān)測(cè)需要大量的望遠(yuǎn)鏡時(shí)間，而且只能做較亮的目標(biāo)，因此不可能對(duì)大量恒星使用。但是，測(cè)量自轉(zhuǎn)就直接得多了——如果我們能校準(zhǔn)好自轉(zhuǎn)年齡學(xué)方法，它將成為大規(guī)模測(cè)量恒星年齡的有力武器。

“要提高我們對(duì)天體系統(tǒng)生命周期的認(rèn)識(shí)，記錄恒星和它附近天體的歷史演變，預(yù)測(cè)它們?cè)谖磥?lái)將如何變化，掌握測(cè)定恒星年齡的能力是很重要的?！狈?薩德斯解釋道。

“如果我們能做好校準(zhǔn)，自轉(zhuǎn)年齡學(xué)將有潛力成為測(cè)量類(lèi)太陽(yáng)恒星年齡的非常精確的方法?！?/p>

現(xiàn)在，開(kāi)普勒衛(wèi)星的數(shù)據(jù)為檢驗(yàn)自轉(zhuǎn)年齡學(xué)在比我們的太陽(yáng)更老的恒星上的校準(zhǔn)提供了機(jī)會(huì)。這正是凡?薩德斯和她的團(tuán)隊(duì)著手做的事。他們的發(fā)現(xiàn)是，隨著恒星變老，標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的自轉(zhuǎn)的減慢比實(shí)際的情況要更大。因此他們得出結(jié)論：對(duì)于中老年，也就是年齡比太陽(yáng)要大的恒星，磁場(chǎng)的制動(dòng)作用比較弱。

這一發(fā)現(xiàn)意味著，恒星變老時(shí)，恒星風(fēng)中的磁場(chǎng)發(fā)生了一些根本的變化。果真如此，我們的太陽(yáng)或許已經(jīng)接近這樣一個(gè)天文學(xué)意義上的臨界時(shí)期：從此以后，磁場(chǎng)的制動(dòng)作用將明顯減弱。從人類(lèi)的角度看，這一變化的時(shí)間也許很長(zhǎng)，但比起太陽(yáng)的一生來(lái)，這變化實(shí)在是非常迅速的。根據(jù)目前的數(shù)據(jù)，還難以確定這一過(guò)程究竟需要多長(zhǎng)時(shí)間，但科學(xué)家們正在進(jìn)行的工作將回答它和與它相關(guān)的其他問(wèn)題。也就是說(shuō)，對(duì)于生命過(guò)半的恒星，目前的自轉(zhuǎn)年齡學(xué)計(jì)算方法還沒(méi)法算得跟年輕恒星一樣準(zhǔn)。

“這個(gè)結(jié)果非常重要，它將極大地提高我們對(duì)‘恒星變老’這一過(guò)程的理解。”卡耐基天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)約翰?莫?jiǎng)P伊（John Mulchaey）說(shuō)。

除了幫助我們測(cè)定恒星的年齡，恒星自轉(zhuǎn)還協(xié)助驅(qū)動(dòng)了產(chǎn)生恒星磁場(chǎng)的機(jī)制。在自轉(zhuǎn)較慢的恒星比如太陽(yáng)那里，自轉(zhuǎn)也為太陽(yáng)活動(dòng)周期提供了解釋。而對(duì)于自轉(zhuǎn)比現(xiàn)在的太陽(yáng)快得多的（年輕）類(lèi)太陽(yáng)恒星，“恒星發(fā)電機(jī)”看來(lái)是由完全不同的機(jī)制產(chǎn)生的，同太陽(yáng)磁場(chǎng)的產(chǎn)生機(jī)制中的很多細(xì)節(jié)一樣，我們對(duì)此尚不十分理解。因此，天文學(xué)家觀(guān)測(cè)了自轉(zhuǎn)從慢到快的各種活躍的恒星，試圖理解不同太陽(yáng)型恒星的發(fā)電機(jī)機(jī)制，以及它們會(huì)如何演化，以探究各種物理參數(shù)如何加強(qiáng)或者抑制“恒星發(fā)電機(jī)”過(guò)程。

用來(lái)觀(guān)測(cè)恒星磁場(chǎng)的技術(shù)當(dāng)中，大部分要依賴(lài)磁場(chǎng)的間接指示物，比如磁場(chǎng)中原子的輻射特征等。用這一指示物進(jìn)行的巡天已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，與其他指標(biāo)相比，恒星自轉(zhuǎn)與恒星發(fā)電機(jī)和恒星的磁場(chǎng)周期之間的聯(lián)系相當(dāng)明顯。目前，可以探測(cè)到恒星光偏振性質(zhì)的先進(jìn)儀器又進(jìn)一步發(fā)展了這一方法，使直接測(cè)量太陽(yáng)量級(jí)的恒星磁場(chǎng)成為可能。

多?納西門(mén)托和他的團(tuán)隊(duì)最近完成了迄今范圍最廣的恒星偏振巡天。他們測(cè)量了67顆恒星的磁場(chǎng)，其中21顆被歸類(lèi)為太陽(yáng)型。這幾乎是之前探測(cè)到的太陽(yáng)型恒星的四倍。他們發(fā)現(xiàn)，自轉(zhuǎn)越快、年齡越小的恒星，平均磁場(chǎng)越強(qiáng)。另外，磁場(chǎng)的強(qiáng)度也與恒星熾熱的外層大氣——色球?qū)拥妮椛湎嚓P(guān)。他們的這一工作不僅代表了這一領(lǐng)域里迄今范圍最廣的巡天，更是發(fā)出了這樣的信號(hào)：對(duì)于太陽(yáng)型恒星磁場(chǎng)的研究大有可為。而這一研究，將不斷增進(jìn)我們對(duì)自己的恒星——太陽(yáng)表面的磁場(chǎng)的認(rèn)識(shí)！

（責(zé)任編輯 馮）