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[Kepler视野下的类太阳恒星星震研究]

(本文为AstroLeaks试稿第11篇,希望大家也能踊跃投稿;欢迎就文章形式,难度,排版等各种问题发表您的意见!)

标题: Ensemble Asteroseismology of Solar-Type Stars with the NASA Kepler Mission
作者: W. J. Chaplin, H. Kjeldsen, J. Christensen-Dalsgaard, S. Basu, A. Miglio, T. Appourchaux 等
论文索引: Chaplin et al. 2011 Science, Volume 332, Issue 6026, pp. 213
编辑供稿: 黄崧 ( 南京大学 )

背景介绍:

理解恒星,永远是天体物理的中心课题之一,从帮助我们发现系外行星,到帮助宇宙学家限制宇宙年龄,恒星物理除了本身的迷人之外,一直有着非常广泛的应用。而星震学作为近20年来迅速发展起来的一种研究恒星内部结构的方法,已经展现了非常诱人的前景,值得我们初步了解一下。

星震学(Asteroseismology)是利用恒星内部脉动模式的频率谱来研究恒星内部结构的方法,就像地震学可以给我们带来地球内部无法观测区域的信息一样,星震学也是我们从观测角度研究恒星真正内部结构的不多手段。恒星的自发共振震动(resonant oscillations)是其内部驻波的观测反应,天文学家其实从很早就注意到了太阳-离我们最近的恒星的震动模式,因而日震学先发展起来(Helioseismology),随着认识的不断加深和观测手段的完善,这一学科得以扩展称为了星震学。

星震学研究的恒星震动活动主要是由恒星内部热能转化为动能而驱动的,在某些恒星的外部区域,主要是对流区中,辐射可以有效的转化为脉动的能量,整个过程和热机其实有些类似。当然,之所以说主要,是因为在双星系统中,伴星的潮汐作用也可能引起某种脉动或震动模式;而且,不只是在普通恒星,像白矮星中子星这样的致密星也存在震动模式。星震学的主要研究手段是高精度的时序测光研究,得到的脉动模式的频率分布反应了震动产生和传播区域的密度分布,目前我们已经知道,在恒星中,主要存在以下几种震动模式:

  • 1. p模式: 也叫声学模式或压力模式,主要由恒星内部一定区域的压力变化引起,其动力学由产生和传播区域的局域声速决定。
  • 2. g模式:也叫重力模式,在流体动力学中,重力波产生于两种不同的介质交界处的流体,由浮力驱动。
  • 3. f模式: 也叫表面重力模式,可以和海浪相类比,只不过发生在恒星表面。
  • 对于类太阳的主序星亚巨星,其外部包层是对流不稳定的,这些恒星的震动模式主要是由对流区的扰动引起的声波模式。主导的震动周期大概在几分钟左右,引起的表面亮度的变化基本在百万分之几的水平上,其中包含的信息是非常丰富的。之所以特别强调类太阳恒星,部分原因也是基于日震学多年的发展,我们对太阳的震动模式已经有了非常好的了解,甚至还帮助我们解决了基础物理中的关键问题(太阳中微子疑难)。早在11年前,地面光谱观测利用多普勒测量已经打开了类太阳恒星星震学的大门,随后法国领导的CoRoT(Convection Rotation and Planetary Transits)卫星又将研究进一步推进,然而,这些都不能与Kepler卫星在上天后7个月的观测相提并论,在这段时间里,Kepler特别关照了其视场内的2000多颗恒星,凭借其惊人的能力,在500多颗恒星中发现了类似于太阳的震动模式,而在这之前,这个数字是25。


    chara

    Fig.1: Kepler空间望远镜的目标视场

    Kepler是NASA领导的空间观测项目,按照官方说法,Kepler“被特别设计用来在银河系一块特别选择的天区内寻找处于宜居带内的类地球系外行星,并估计银河系中此类行星的数量”,不过虽然如此,丝毫不影响Kepler成为一架研究恒星本身的不二利器。Kepler于2009年3月发射升空,携带一架口径为0.95米的望远镜,将在后面的3.5年里不断坚持观测一块特定天区内的145000颗恒星。本文是一篇发表在Science上的Report,简要的报导了Kepler关于类太阳恒星震动模式的观测结果,星震学的很多具体内容远超本文的讨论范围,我们仅在这里简单的展示一下其主要结论,感兴趣的同学,我们准备了很充实的延伸阅读材料。

    主要结论:

    下图2展示了从这500多颗有星震信号的恒星中挑选出的9颗恒星的频谱,我们可以看到,这几颗类太阳恒星的震动频谱中不仅包含了丰富的模式,而且,其峰值频率具有一定的可循的规律,恒星光度越低,星震信号也越不显著。类太阳恒星的震动模式是非径向的,其中径向部分以阶数(倍频)n表示,表面分量用以角度l和方位角阶数m表达的球谐函数表示,其中相同l值时的连续倍频n的间隔称为最大频率间隔(large separation ),一颗恒星的星震频谱中的平均最大间隔可以反应恒星内部结构的信息,这个量被认为与恒星平均密度的平方根成比例。此外,在频谱中可以看到一个明显的高斯轮廓,这个轮廓对应的极值频率是另一个重要的信息,这个频率值与gT_{eff}^{-0.5}成比例,其中g是恒星表面重力加速度,T为有效温度。


    fig1

    Fig.2: 9颗类太阳恒星的星震频谱信号,恒星的光度和表面温度值也显示在图上,并按照一定顺序排列。其中插入的窗口显示了以峰值频率为中心的高斯轮廓处的频谱。Y轴单位中的ppm代表百万分之一(part per million).

    图3A展示了这500颗恒星在赫罗图上的分布,其中红色显示的是图1中的9颗恒星,恒星的有效温度来自多色测光,半径来自星震测量,光度则由这两个测量量计算得到。图3B展示了恒星有效温度和上文提到的平均最大频率间隔的关系,注意这个量基本代表了恒星的平均密度,由于这个图和普通的赫罗图一样,可以区分不同演化阶段的恒星,而且核心氢燃烧的主序星也位于右下至左上的一个对角线区域内,基本可以看成是星震版本的赫罗图。对于温度较高的主序星(如太阳),恒星的表面重力和平均密度都相对较冷的主序星低,因而上段中提到的两个关键测量量,平均最大频率间隔和峰值频率也相应较低。在恒星核心的氢消耗殆尽之后,恒星会沿着在左图中几乎水平的路径向着低温段移动,进入亚巨星阶段,在快速的向上移动演化为红巨星之前,星震信号的这两个关键值也会迅速下降。关于从Kepler的星震观测中的到恒星结构信息的具体细节,感兴趣的同学可以参考这篇文章:Metcalfe et al. 2010 ApJ。


    chara

    Fig.3: A:普通赫罗图;B:有效温度和平均最大间隔的关系;图中红色标出的是图1中的9颗恒星,太阳在图中位置由太阳符号标出。图中序号标出的是不同质量恒星的模型演化轨迹。

    (和昨天介绍的恒星自转测量一样,由于星震学数据可以用来测量恒星产能核心半径的大小,对流区的半径甚至元素丰度的信息,结合恒星结构演化模型,星震学也提供了一个测量单个恒星年龄的手段。)

    延伸阅读:

  • 1. 星震学的诞生(Science文章中译版, 引自火流星电子杂志)
  • 2. Kepler官方网站对本研究的报道(推荐里面的视频)
  • 3. 非常好的介绍日震和星震学的网站,有各种视频,音频和笔记资料
  • 4. 关于星震学的另一个介绍网站,其中有非常好的直观的赫罗图和星震信号的关系图
  • 5. Canary天体物理冬季学校上关于星震数据处理的教程
  • 6. 关于星震学的一个比较“高端”的介绍文章
  • 7. 关于Kepler星震学项目的科学介绍文章
  • 8. Brown & Gilliland 1994年在ARAA上的星震学综述文章
  • 9. SONG: 恒星震动观测网
  • 10. YouTube上关于星震学的讲座视频(SETI Talk系列,推荐)
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    blog for Chinese astronomy and astrophysics students to share their interest, idea and experience.

    讨论

    4 thoughts on “[Kepler视野下的类太阳恒星星震研究]

    1. 正文部分的图的序号似乎有问题。

      Posted by astrolemei | 四月 24, 2011, 4:22 下午
    2. 曾经分不清gravity wave和gravitational wave…

      Posted by TrekLu | 四月 24, 2011, 10:44 上午

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