□ 文 何銳思

（Richard de Grijs） / 翻譯 程思淼

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測定恒星年齡的新方法

□ 文 何銳思

（Richard de Grijs） / 翻譯 程思淼

小的時候，每次過生日我們都要慶祝一番，但是長大后，過生日就不那么興奮了。隨著年齡的增長，我們越來越不容易激動，生活的節(jié)奏也趨于平緩。有趣的是，當恒星變老時，它們的節(jié)奏也會慢下來：年輕的恒星比老年恒星自轉(zhuǎn)得更快。不過，它們的年齡仍是塵封的秘密?，F(xiàn)在，天文學家正在利用前一個事實來解決這個問題：從恒星的自轉(zhuǎn)中“套”出它們的年齡來。

“我們的目標是造一臺能夠根據(jù)恒星的自轉(zhuǎn)精確測出它們年齡的鐘。我們在造鐘的路上已經(jīng)又邁出了重要的一步?！惫鹗访芩商祗w物理中心（CfA）的科學家索倫?麥伯姆（S?ren Meibom）說。

何銳思（R i chard de G ri j s）北京大學科維理天文與天體物理研究所（KI AA）教授，國際天文學聯(lián)合會天文發(fā)展辦公室東亞分站負責人。

麥伯姆在美國天文學會（AAS）一次會議的發(fā)布會上公布了他們團隊的發(fā)現(xiàn)。我也參加了那次會議。他們的成果給我留下了深刻的印象，它和我自己團隊的一些新的見解直接相關(guān)。不過這點我們待會兒再說。麥伯姆的成果標志著這類觀測的恒星年齡范圍首次擴展到了10億歲以上，大踏步向我們太陽的年齡——46億歲——挺進。

圖2 年輕恒星的年齡是比較好測定的，因為它們自轉(zhuǎn)更快，而且表面有更大的暗斑。（圖片來源：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)恒星及其周圍行星的天文現(xiàn)象。這些現(xiàn)象正是隨著時間不斷演化發(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，需要很長時間的演化。因此，了解母恒星的年齡，就能夠縮小搜尋外星生命信號的目標范圍。

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

“現(xiàn)在，觀測數(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)得到單個恒星的年齡?！眮碜缘聡R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年首次提出了這個方法，并把它稱為自轉(zhuǎn)年齡學（gyrochronology），這個詞來自希臘語gyros（自轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)）、chronos（年代，年齡）和logos（論、道理、學問）。

圖3 測定老年恒星的年齡比較困難，因為它們自轉(zhuǎn)較慢，表面的暗斑也較小。（圖片來源：D avi d A.Agui l ar, C f A）

想要測量一顆恒星的自轉(zhuǎn)，天文學家會仔細觀察恒星表面的暗斑——相當于我們太陽上的黑子——所帶來的恒星亮度的變化。遙遠的恒星不比我們的太陽，它們看上去只是一個無法分辨的光點，因此天文學家無法直接看到暗斑橫穿恒星的視圓面。但是，科學家可以觀察到由于暗斑穿過而造成恒星亮度的輕微下降，以及暗斑轉(zhuǎn)到背面時恒星亮度的恢復(fù)情況。

對于普通的恒星來說，由于這一原因造成的亮度下降遠小于1%，而且暗斑穿過恒星視圓面需要好幾天，因此要測出這一變化十分困難。前文提到的這個研究團隊使用美國航天局（NASA）開普勒望遠鏡達成了這一目標。開普勒望遠鏡本來的使命是用“凌星法”搜尋系外行星，因此對天鵝座一片天區(qū)里的恒星的亮度進行了精確而持久的觀測。

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

圖4 從太陽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磁場的結(jié)構(gòu)。目前，天文學家使用偏振技術(shù)研究太陽型恒星表面的磁場。（圖片來源：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)周期也較難測定?！丙湶氛f。

研究團隊檢查了星團中質(zhì)量在0.8到1.4倍太陽質(zhì)量的恒星。他們共測出了30顆星的自轉(zhuǎn)周期，從4天到23天不等。作為比較，太陽現(xiàn)在的自轉(zhuǎn)周期是26天。NGC 6819里的8顆跟太陽最為相似的恒星的平均自轉(zhuǎn)周期是18.2天，這表明，太陽在25億歲時（也就是約20億年前）的自轉(zhuǎn)周期很有可能就是這個數(shù)。

隨后，科學家評估了現(xiàn)有的幾種從恒星質(zhì)量和年齡計算它們自轉(zhuǎn)速率的計算機模型，確定哪一種與觀測最為符合。

“現(xiàn)在，對于銀河系里大量的冷的場星，我們都能通過測量它們自轉(zhuǎn)周期精確地推算出它們的年齡?！丙湶氛f。“這對研究恒星和行星演化的天文學家來說是一個重要的新工具，它還可以幫助我們找出年齡長得足以演化出復(fù)雜生命的行星?！?/p>

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

2014年夏天，“自轉(zhuǎn)年齡學”技術(shù)首次大展身手：一個天文學家團隊給出了22顆類太陽恒星的自轉(zhuǎn)年齡學年齡。在此之前，人們一共只測到了兩顆類太陽恒星的自轉(zhuǎn)和年齡數(shù)據(jù)。

“我們已經(jīng)找到了各項性質(zhì)均與太陽足夠接近，完全稱得上太陽‘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?納西門托（Jose Dias do Nascimento）說?！巴ㄟ^類太陽恒星，我們可以研究太陽這樣的恒星的過去、現(xiàn)在和未來。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系這樣的行星系統(tǒng)?！?/p>

借助開普勒望遠鏡，多?納西門托和他的同事們發(fā)現(xiàn)，他們研究的類太陽恒星自轉(zhuǎn)一圈平均需要21天，作為比較，太陽赤道部分的自轉(zhuǎn)周期是26天。他們研究的大部分恒星比太陽轉(zhuǎn)得要快，這說明它們比我們的太陽要更年輕一些。雖然這項突破性研究涉及的22顆星中還沒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地行星的類太陽恒星的重要一步。

圖5 利用N ASA開普勒望遠鏡獨一無二的能力，索倫?麥伯姆和他的合作者首次測定了年齡10億年的星團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)年齡學方法在研究孤立恒星（不是望遠鏡不可分辨的雙星）年齡時的可靠性。（圖片來源：Ant hony Ayi om am i t i s）

我自己對這項進展一直非常關(guān)注。讀者可能還記得，在2015年1月的文章里，我介紹了我的團隊對大麥哲倫星系中一個年齡在10億~20億年范圍內(nèi)的星團的研究，研究的結(jié)果曾發(fā)表在《自然》雜志上。我們仔細分析了這個星團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米望遠鏡的初步觀測數(shù)據(jù)來進行驗證性的研究，看能不能通過分析光譜得出星團中恒星的自轉(zhuǎn)速率——令人驚訝的是，這項工作現(xiàn)在還沒有任何一個研究組系統(tǒng)性地去做！我們的初步結(jié)論看上去令人振奮，不過要做出確定的結(jié)論還為時尚早。

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

來自位于美國加州帕薩迪納（Pasadena）卡耐基天文臺的天文學家詹妮弗?凡?薩德斯（Jennifer van Saders）領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊是故事的主角。他們新近的工作表明，對于年齡大于我們太陽的恒星，最近發(fā)展起來的確定恒星年齡的自轉(zhuǎn)法需要重新校準。他們對于老年恒星自轉(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)與我們的太陽系也密切相關(guān)：他們指出，我們的太陽也許正處在磁場轉(zhuǎn)變的臨界點上。

隨著恒星變老，它們的自轉(zhuǎn)也會減慢，這是由于恒星磁場在恒星風中的活動。恒星風是吹離恒星的氣體（等離子體）流，就像我們太陽系里的太陽風一樣。這些吹離的（帶電）氣體處在恒星磁場的控制之下，旋轉(zhuǎn)著向外吹拂，直到逃逸出去。這些物質(zhì)通過磁場與恒星相連，就好像花樣滑冰運動員的手通過手臂與身體相連。因此，當它們被不斷吹離恒星，就像旋轉(zhuǎn)著的花樣滑冰運動員伸開雙臂，身體旋轉(zhuǎn)的速度便會隨之減慢一樣，恒星的自轉(zhuǎn)也會隨之變慢。就恒星來看，磁場就好像一個制動器。

圖6 藝術(shù)家繪制的假想中的系外行星概念圖。自轉(zhuǎn)年齡學在研究孤立恒星時相當可靠，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，就可以計算類太陽恒星的年齡?？墒?，在新發(fā)表的論文中，凡?薩德斯和她的團隊告訴我們，當一顆恒星變老后，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)年齡學方法對于老年恒星年齡的計算。

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

“要提高我們對天體系統(tǒng)生命周期的認識，記錄恒星和它附近天體的歷史演變，預(yù)測它們在未來將如何變化，掌握測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，自轉(zhuǎn)年齡學將有潛力成為測量類太陽恒星年齡的非常精確的方法?！?/p>

現(xiàn)在，開普勒衛(wèi)星的數(shù)據(jù)為檢驗自轉(zhuǎn)年齡學在比我們的太陽更老的恒星上的校準提供了機會。這正是凡?薩德斯和她的團隊著手做的事。他們的發(fā)現(xiàn)是，隨著恒星變老，標準模型所預(yù)言的自轉(zhuǎn)的減慢比實際的情況要更大。因此他們得出結(jié)論：對于中老年，也就是年齡比太陽要大的恒星，磁場的制動作用比較弱。

這一發(fā)現(xiàn)意味著，恒星變老時，恒星風中的磁場發(fā)生了一些根本的變化。果真如此，我們的太陽或許已經(jīng)接近這樣一個天文學意義上的臨界時期：從此以后，磁場的制動作用將明顯減弱。從人類的角度看，這一變化的時間也許很長，但比起太陽的一生來，這變化實在是非常迅速的。根據(jù)目前的數(shù)據(jù)，還難以確定這一過程究竟需要多長時間，但科學家們正在進行的工作將回答它和與它相關(guān)的其他問題。也就是說，對于生命過半的恒星，目前的自轉(zhuǎn)年齡學計算方法還沒法算得跟年輕恒星一樣準。

“這個結(jié)果非常重要，它將極大地提高我們對‘恒星變老’這一過程的理解。”卡耐基天文臺臺長約翰?莫凱伊（John Mulchaey）說。

除了幫助我們測定恒星的年齡，恒星自轉(zhuǎn)還協(xié)助驅(qū)動了產(chǎn)生恒星磁場的機制。在自轉(zhuǎn)較慢的恒星比如太陽那里，自轉(zhuǎn)也為太陽活動周期提供了解釋。而對于自轉(zhuǎn)比現(xiàn)在的太陽快得多的（年輕）類太陽恒星，“恒星發(fā)電機”看來是由完全不同的機制產(chǎn)生的，同太陽磁場的產(chǎn)生機制中的很多細節(jié)一樣，我們對此尚不十分理解。因此，天文學家觀測了自轉(zhuǎn)從慢到快的各種活躍的恒星，試圖理解不同太陽型恒星的發(fā)電機機制，以及它們會如何演化，以探究各種物理參數(shù)如何加強或者抑制“恒星發(fā)電機”過程。

用來觀測恒星磁場的技術(shù)當中，大部分要依賴磁場的間接指示物，比如磁場中原子的輻射特征等。用這一指示物進行的巡天已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，與其他指標相比，恒星自轉(zhuǎn)與恒星發(fā)電機和恒星的磁場周期之間的聯(lián)系相當明顯。目前，可以探測到恒星光偏振性質(zhì)的先進儀器又進一步發(fā)展了這一方法，使直接測量太陽量級的恒星磁場成為可能。

多?納西門托和他的團隊最近完成了迄今范圍最廣的恒星偏振巡天。他們測量了67顆恒星的磁場，其中21顆被歸類為太陽型。這幾乎是之前探測到的太陽型恒星的四倍。他們發(fā)現(xiàn)，自轉(zhuǎn)越快、年齡越小的恒星，平均磁場越強。另外，磁場的強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：對于太陽型恒星磁場的研究大有可為。而這一研究，將不斷增進我們對自己的恒星——太陽表面的磁場的認識！

（責任編輯 馮）