如何揭示一顆遙遠(yuǎn)恒星的面貌

蕾切爾·羅滕巴切爾

美國威爾遜山天文臺坐落于洛杉磯郊外的圣加布里埃爾山脈，人類有關(guān)宇宙探索的數(shù)次重大飛躍性發(fā)現(xiàn)都產(chǎn)生于此。1924年，埃德溫·哈勃在此證明了河外星系的存在，此后還發(fā)現(xiàn)了宇宙正在擴(kuò)張的可靠證據(jù)?，F(xiàn)在，威爾遜山又迎來了另一個(gè)天文觀測上的飛躍。

這一突破性發(fā)現(xiàn)仰仗于干涉測量法：天文學(xué)家將來自大間距分布望遠(yuǎn)鏡的光進(jìn)行組合，以產(chǎn)生直徑等同該間距的虛擬望遠(yuǎn)鏡。這種技術(shù)可以分解標(biāo)準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡無法辨別的小細(xì)節(jié)。

20世紀(jì)20年代，天文學(xué)家在威爾遜山首次采用干涉測量法觀測恒星。使用一個(gè)6米的干涉儀（兩個(gè)小鏡子被間隔6米安裝在胡克反射器上，有效地使其成為一個(gè)直徑6米的望遠(yuǎn)鏡），阿爾伯特·A.邁克爾遜和弗朗西斯·G.皮斯首次成功測量到了除太陽以外的數(shù)顆恒星的角距大小。不過，他們的干涉儀只能測量到最近的幾顆恒星，建造更大型的設(shè)備在當(dāng)時(shí)是不可能的。此后，該項(xiàng)研究沉寂了數(shù)十年。

1950年，天文學(xué)家杰拉爾德·E.克朗開始研究分析其他恒星表面的可能性，但最終得出結(jié)論，“它們過于遙遠(yuǎn)，現(xiàn)有的光學(xué)設(shè)備乃至日后所有的光學(xué)設(shè)備都無法分解觀測”。（隨后，他設(shè)法間接地推斷出其他恒星上存在暗表面特征。）

如今，隨著光學(xué)干涉測量的重新興起，這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了克朗當(dāng)時(shí)的想象。威爾遜山擁有世界上最長的光干涉儀：高角度分辨率天文學(xué)中心（CHARA）陣列。CHARA陣列正在分解鄰近恒星的表面，使大家以前所未有的角度窺見太陽的“鄰居”們。

CHARA陣列是由六個(gè)組合成Y 形結(jié)構(gòu)的1米望遠(yuǎn)鏡組成，這些望遠(yuǎn)鏡具有長度各異的基線，最長的為331米。它們可以組合成15個(gè)望遠(yuǎn)鏡對，每對望遠(yuǎn)鏡各司其職，共同組成331米的虛擬望遠(yuǎn)鏡。約翰·D.莫尼耶及其領(lǐng)導(dǎo)的密歇根大學(xué)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種儀器——密歇根紅外組合器（MIRC）。該儀器可以同時(shí)組合所有六個(gè)望遠(yuǎn)鏡的光，以充分利用陣列。MIRC先前已被用于快速旋轉(zhuǎn)星體的扁平表面、環(huán)繞恒星的氣盤和新星爆炸的膨脹殼的成像。

現(xiàn)在，研究者將CHARA陣列和MIRC組合使用，便實(shí)現(xiàn)了當(dāng)初克朗認(rèn)為不可能的事情：直接成像遙遠(yuǎn)恒星布滿斑點(diǎn)、活躍的表面。

然而，這項(xiàng)工作仍然是費(fèi)力的。大多數(shù)恒星因?yàn)檫^小而無法利用當(dāng)前最先進(jìn)的技術(shù)來分解，創(chuàng)建分解的圖像需要選擇正確的目標(biāo)。首先，目標(biāo)恒星必須在天空中顯得明亮和相對較大；其次，它們必須有恒星黑子（磁性活動的區(qū)域，與太陽上的黑子類似），才能具備觀察所需的黑暗特征；最后，恒星必須足夠快地旋轉(zhuǎn)，以便可以通過完整的旋轉(zhuǎn)觀察它們，而不會演化出太多的斑點(diǎn)。

我很榮幸可以將此作為自己博士論文的一部分。我選擇將二元體系的主要成員奎宿二——一顆在秋日天空用肉眼依稀可見的恒星——作為目標(biāo)?？薅纸咏覀儯?81光年），其直徑是太陽的16倍。它呈扁球狀，與美式足球的形狀類似——這是由其密切“伴侶”的重力引起。通過對宿主暗斑間接成像，它已被清晰地觀測到。因此，對我的論文來說，這是一個(gè)完美的目標(biāo)。我們的團(tuán)隊(duì)由14人組成，包括我的顧問（MIRC的創(chuàng)建者）莫尼耶。2013年9月，我們用了18個(gè)夜

晚，借助CHARA陣列對奎宿二的旋轉(zhuǎn)做了觀察。組合所有數(shù)據(jù)并將其在旋轉(zhuǎn)表面上呈現(xiàn)出來花費(fèi)了我們大量的時(shí)間和精力。

2016年5月，我們發(fā)布了勝利成果：奎宿二的最高分辨率圖像。我們能夠檢測到它極點(diǎn)上的斑點(diǎn)，以及表面上看似沒有圖案形成的黑子。它的情況與太陽不同，在太陽表面上，只有特定的緯度才能形成黑子。存在這種差異的部分原因在于奎宿二是一顆更加古老、有不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的恒星。

理論模型表明，奎宿二的大部分核心以外的內(nèi)部是對流的，較熱的物質(zhì)上升，較冷的物質(zhì)下沉，如同爐子上沸騰的水壺一般。相比之下，太陽只有最外層有這樣的運(yùn)動。奎宿二18天的旋轉(zhuǎn)周期也明顯快于太陽27天的旋轉(zhuǎn)周期。

進(jìn)化模型表明，太陽在“年輕時(shí)”也有類似的厚厚的對流層，并且旋轉(zhuǎn)周期也短。通過研究奎宿二的斑點(diǎn)表面，我們認(rèn)為太陽早期的某些劇烈變化可能影響過45億年前太陽系的形成，以及隨后地球上生命的發(fā)展。

最重要的是，對奎宿二的觀測分析只是開始，以后將有可能觀察到較暗恒星的表面，包括“年輕太陽的類似物”，即目前恒星質(zhì)量正在增加、形成新星球的云盤包圍的年輕恒星。通過分解各種類型的恒星及其特征，我們可以建立更多關(guān)于恒星結(jié)構(gòu)、磁性、形成和演化等的準(zhǔn)確模型。

干涉測量的力量方興未艾，奎宿二的圖像就展示了這種未被充分利用的技術(shù)的巨大潛力。4個(gè)世紀(jì)前，狂熱的太陽黑子觀察者伽利略意識到銀河系是由“數(shù)不清的恒星聚集而成的”。今日，我們終于開始窺得它們的真實(shí)面貌。