星震學(xué)揭示白矮星的結(jié)構(gòu)

編譯 高斯寒

令人驚訝的是，白矮星的內(nèi)核——也就是以氦為燃料的烈火的殘留物——富含氧元素。

NASA的錢(qián)德拉X射線(xiàn)天文衛(wèi)星觀察到，一顆白矮星經(jīng)歷了一次新星爆炸。白矮星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)保存了它一生中主導(dǎo)的熱核反應(yīng)和混合過(guò)程的記錄?？蒲腥藛T現(xiàn)在已經(jīng)利用星震學(xué)，艱辛地獲知了一顆白矮星KIC08626021的結(jié)構(gòu)

NASA的開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)在地球跟蹤軌道中，環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)行了將近9年，它最為人知的身份是“行星獵手”。它通過(guò)觀察固定視野中15萬(wàn)顆恒星的亮度變化，探測(cè)到穿越系外行星所導(dǎo)致的周期性暗淡現(xiàn)象。對(duì)于星震學(xué)家來(lái)說(shuō)，開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)也是一筆寶藏。星震學(xué)家分析恒星的固有脈動(dòng)，獲知恒星內(nèi)部的物理性質(zhì)。這類(lèi)研究已經(jīng)產(chǎn)生對(duì)恒星質(zhì)量、溫度和內(nèi)部旋轉(zhuǎn)速度的精確估測(cè)。

現(xiàn)在，諾埃米·賈米凱萊（Noemi Giammichele）與她在法國(guó)圖盧茲大學(xué)和加拿大蒙特利爾大學(xué)的合作者已經(jīng)運(yùn)用星震學(xué)一窺白矮星的星核情況。白矮星是處在緩慢冷卻階段的恒星，白矮星標(biāo)志著恒星生命周期的終結(jié)，但大質(zhì)量恒星例外。賈米凱萊和她的同事分析了將近兩年的開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)于白矮星KIC08626021的觀察數(shù)據(jù)，查明昔日核燃燒的殘余物——氦、碳和氧——是如何混合并沉降于恒星內(nèi)部的。他們的研究結(jié)果以前所未有的細(xì)節(jié)再現(xiàn)了恒星的組成，證實(shí)了恒星演化理論的廣泛輪廓，但對(duì)細(xì)節(jié)有重大的挑戰(zhàn)。

衰老的恒星

恒星演化理論告訴我們，數(shù)十億年以前，KIC08626021是一個(gè)火熱的氫熔爐，就像目前的太陽(yáng)一樣。在它熾熱稠密的內(nèi)核中，氫經(jīng)過(guò)核聚變成為氦，它的能量就來(lái)自核聚變反應(yīng)；氫的外殼依然溫度太冷而不會(huì)發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)內(nèi)核中的氫耗盡，內(nèi)核熄滅，在恒星的重量下坍縮，在這個(gè)過(guò)程中，核心變得熾熱，足以引燃在此前的核聚變過(guò)程中積累起來(lái)的氦。

這時(shí)候，開(kāi)始產(chǎn)生豐富的恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)。星核的氦融合成為碳，一些碳元素奪取額外的氦原子核，形成氧元素。結(jié)果產(chǎn)生的高溫引燃了位于星核周?chē)鷧^(qū)域的之前不活躍的氫。隨著核聚變產(chǎn)物沉降，對(duì)流將物質(zhì)在反應(yīng)區(qū)之間運(yùn)送，恒星的化學(xué)圖譜變得更加復(fù)雜。

等到KIC08626021的核子火焰平息時(shí)，也就是大約800萬(wàn)年前，恒星的內(nèi)含之物已經(jīng)分成好幾層，每一層都有獨(dú)特的碳、氧、氦配比（更外層的氫已經(jīng)在最終的核爆燃中被吹走）。恒星演化模型無(wú)法告訴我們那些層的準(zhǔn)確性質(zhì)。但是，從原理上來(lái)說(shuō)，恒星的脈動(dòng)——以亮度起伏的形式顯現(xiàn)出來(lái)——能夠做到這一點(diǎn)。

KIC08626021和其他脈動(dòng)中的白矮星的光度由引力波調(diào)節(jié)，也就是浮力驅(qū)動(dòng)下的密度漲落，持續(xù)不斷地行經(jīng)恒星內(nèi)部。就像鳴響的鈴鐺一樣，一顆恒星能夠同時(shí)以多種共振的引力波模式（或者稱(chēng)為g模式）脈動(dòng)。因?yàn)槟切┠Ｊ降闹芷谝蕾?lài)于內(nèi)部的熱力學(xué)性質(zhì)（諸如密度和熱容量），所以某些g模式攜帶了關(guān)于恒星內(nèi)部分層的信息。

但是，由化學(xué)成分導(dǎo)致的影響微乎其微，尤其是在恒星內(nèi)部深處的那些成分。在21世紀(jì)初，當(dāng)一群天文學(xué)家試圖使用來(lái)自地基的全球望遠(yuǎn)鏡（Whole Earth Telescope）的數(shù)據(jù)，來(lái)確定一顆白矮星的結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)果模棱兩可。直到天基的開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡到來(lái)，借助它對(duì)宇宙清晰又連續(xù)不斷的觀察，天文學(xué)家這才有望觀測(cè)到白矮星的脈動(dòng)，并達(dá)到所需要的靈敏度和精確度，從而可靠地繪制出白矮星的內(nèi)部情況。

模擬星震

KIC08626021的大小與地球相似，與地球的距離超過(guò)1000光年，在開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡的機(jī)載攝像頭抓拍到的9500萬(wàn)像素的圖像中，它僅僅顯示為一個(gè)像素。即便如此，從那個(gè)像素獲得的將近有兩年的光變曲線(xiàn)還是包含了許多信息。它一共揭示出8種g模式，振蕩周期從兩分鐘到七分鐘不等。振蕩周期可以用微秒級(jí)的精確度解析——量級(jí)優(yōu)于此前星震學(xué)研究中的測(cè)量值。

為了把觀測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)于恒星內(nèi)部的信息，通常會(huì)使用正演地震模型（forward seismic model），也就是用一系列可調(diào)整的輸入?yún)?shù)描述恒星物理性質(zhì)，預(yù)測(cè)恒星會(huì)如何隨著時(shí)間脈動(dòng)。當(dāng)開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)開(kāi)始涌入，圖盧茲大學(xué)的斯特凡娜·沙爾皮納特（S té phane Charpinet）和蒙特利爾大學(xué)的吉勒斯·方丹（Gilles Fontaine）已經(jīng)在這些模型上進(jìn)行了十多年的合作。但是，就像其他星震學(xué)模型，他們的模型對(duì)恒星結(jié)構(gòu)的描述也很粗略。比如，他們假定恒星內(nèi)部不是層狀結(jié)構(gòu)，而是均勻混合的。模型通常只接受4或5個(gè)輸入?yún)?shù)——再多的話(huà)，數(shù)值算法就可能表現(xiàn)失常。

當(dāng)賈米凱萊以研究生的身份加入方丹的研究團(tuán)隊(duì)，她運(yùn)用計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)的技術(shù)，使得模型能夠處理額外的參數(shù)，而那些參數(shù)是描述恒星層狀構(gòu)成所必需的。因?yàn)樾履Ｐ陀兄喾N可調(diào)整的參數(shù)，但開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡僅僅確定了KIC 08626021的8種g模式的周期，從理論上來(lái)說(shuō)，這不保證會(huì)產(chǎn)生唯一解。然而，在對(duì)假想的恒星進(jìn)行試運(yùn)行時(shí)，科研人員證實(shí)：甚至在僅僅知道5種g模式的某些情況下，模型還是能生成用數(shù)值驗(yàn)證的唯一解。

“但恒星得要配合才行。”賈米凱萊說(shuō)。也就是說(shuō)，探測(cè)到的g模式應(yīng)該各自探索不同的區(qū)域，提供關(guān)于恒星內(nèi)部的互補(bǔ)信息。比如說(shuō)，假如觀測(cè)到的脈動(dòng)包括偶極和四極的g模式，這樣就有所幫助；許多恒星只顯示出其中的一種。在開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡最初4年的運(yùn)行中，只探測(cè)到6顆白矮星，KIC 08626021是其中的一顆，結(jié)果證明它相當(dāng)配合。

藏在細(xì)節(jié)中的魔鬼

星震學(xué)揭示出的白矮星KIC08626021的化學(xué)圖譜。這顆白矮星的質(zhì)量大約是太陽(yáng)的一半，核心富含氧和碳，外圍富含氦，這點(diǎn)符合恒星演化理論。（徑向距離隨著分?jǐn)?shù)質(zhì)量深度而增加。）但氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（在恒星核心的比例超過(guò)85%）過(guò)于大，當(dāng)前的理論還解釋不了。此處的M＊是白矮星的質(zhì)量，M(r)是半徑r之內(nèi)的白矮星質(zhì)量，陰影區(qū)對(duì)應(yīng)于1σ上的置信區(qū)間

當(dāng)賈米凱萊與她的合作者將他們的星震學(xué)模型應(yīng)用到KIC 08626021上時(shí)，得到的結(jié)果大部分符合恒星演化模型的預(yù)測(cè)：在它的核心，是一個(gè)由碳和氧構(gòu)成的致密球體；隨著與中心的徑向距離增加，氧的水平急劇下降，氦的水平急劇增加，碳的水平先增加后減少。在那份圖譜的細(xì)節(jié)中，星震學(xué)結(jié)果與恒星演化理論出現(xiàn)不一致。在星震學(xué)模型里，恒星中心有著超過(guò)85%的氧——比領(lǐng)先的恒星演化模型所預(yù)測(cè)的數(shù)值多了大約15%。整個(gè)恒星中的氧碳比的平均值大約是4:1；恒星演化理論預(yù)測(cè)值是2:1。

氧的過(guò)量表明：某種程度上，在氦燃燒階段給恒星供能的反應(yīng)鏈進(jìn)行得比恒星演化理論所預(yù)測(cè)的更快——要么是因?yàn)槔碚摰凸懒恕疤甲兂裳酢狈磻?yīng)的比率，或者是因?yàn)椋涸诮o燃燒的星核補(bǔ)充新鮮氦元素方面，混合過(guò)程意外高效。

“恒星演化理論肯定遺漏了什么?！北壤麜r(shí)魯汶大學(xué)的康妮·阿茨（Conny Aerts）說(shuō)道，“過(guò)去30年里我們認(rèn)為很棒的理論實(shí)際上并不足夠好。”

對(duì)白矮星結(jié)構(gòu)的理解得到改進(jìn)后，有助于完善預(yù)測(cè)恒星年齡的方法，幫助天文學(xué)家更加準(zhǔn)確地解讀Ia型超新星的光變曲線(xiàn)。當(dāng)一顆物質(zhì)積聚的白矮星超過(guò)了臨界質(zhì)量，就會(huì)發(fā)生猛烈的爆炸，這就是Ia型超新星。然而，從一顆恒星的單次研究中能推斷出多少信息哪？

這個(gè)問(wèn)題也許在不久后就會(huì)變得無(wú)關(guān)緊要。開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡的后續(xù)任務(wù)K2在2014年啟動(dòng)，正在以相當(dāng)快的速度發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)中的白矮星。賈米凱萊說(shuō)：“K2是一座金礦， 已經(jīng)有60顆左右的白矮星讓我分析。我不是說(shuō)它們中的每一顆都會(huì)給出結(jié)果，但有很大一部分白矮星確實(shí)在配合?！?/p>