远方的恒星,高寿几何?
大科技杂志社
2024-01-02 18:05:02

原标题:远方的恒星,高寿几何?

远方的恒星,高寿几何?

天气晴朗的晚上,我们能在头顶黑色的幕布上看见许多闪亮的“钻石”,在这么多“钻石”中,我们能知道哪一颗年纪最大,哪一颗最年轻吗?

年轻恒星“脾气差”

恒星诞生于被称为星云的巨大尘埃和气体云深处。如果这片星云的温度足够低、密度足够大,向内的引力就会超过向外的气体压强,于是它就会在自身的引力下坍缩。这片星云的密度和温度会变得越来越高,星云中心的强烈引力导致气体——主要是氢气——吸积成为原恒星,最终点燃核聚变。

然而,在这个“恒星胚盘”中孕育的不止是一颗恒星,许多颗非常小的原恒星会同时形成,竞相抢夺星云中的剩余气体,并在此过程中发出辐射。如果我们能捕捉到恒星诞生过程中辐射出的气体和尘埃,也就意味着找到“恒星胚盘”。大名鼎鼎的“创生之柱”正是这样一个孕育新生恒星的地方。“创生之柱”最早在1995年4月1日由哈勃太空望远镜拍摄于6500光年以外的天鹰星云。天鹰星云是银河系的一个恒星诞生区,约有超过8000颗的恒星,其中大部分恒星都属于新生恒星,因此得名为创生之柱。

不过,“恒星胚盘”中的恒星那么多,究竟哪颗才是最年轻的呢?这就要从恒星的亮度和质量中去找答案了。质量最大的恒星是“蓝热的”并且非常明亮,而质量最小的恒星是“红热的”并且相当微弱,科学家可以寻找星团中最热、最蓝、最重的恒星,并精确计算它的热度和亮度。恒星的质量告诉我们它有多少燃料,而亮度告诉我们它燃烧燃料的速度有多快。结合这些信息,科学家就可以粗略地计算恒星的年龄,并随后计算星团中其他恒星的年龄,从中找到最年轻的那颗星。

运用上述方法,天文学家在距离地球3900光年的双星系统大犬座Z中找到了一颗最年轻的恒星。由于星团中的年轻恒星仍在吸积物质,因此星团两端不断喷出巨大的气体射流。由于气体射流随着恒星年龄的增长而逐渐消失,因此恒星释放的气体量有助于天文学家估计恒星的年龄:喷射越多的气体、气体的喷射速度越快,意味着恒星越年轻。据估计,这颗最年轻的恒星年龄还没有超过100万岁,作为参考,我们的太阳迄今已有50亿岁了。

年老恒星“心跳慢”

与生物一样,恒星年纪大的时候“心跳”速率会下降,这时候如果我们用“听诊器”听一听恒星的“心跳声”,也能判断它的年龄。

所谓恒星“心跳”指的是“星震”。地球会发生地震,类似的,恒星也会“星震”。我们最熟悉的当属太阳的振荡“日震”,太阳的震动模式取决于太阳内部的组成,尤其是核心的氢和氦的相对丰度。恒星每种震动模式都有自己的震动周期,也会让恒星的亮度发生变化。天文学家通过长时间监测恒星亮度,即可知道恒星是否在震动,以什么模式在震动,从而开展进一步的研究。

天文学家发现,随着恒星年龄的增长,恒星的震动速度往往会降低,但天文学家无法确定年龄与震动速度的线性关系,因此,他们需要找一个参照物。测量已知年龄的恒星——比如说太阳的震动速度(也即亮度变化模式),以帮助建立一个基准,然后研究人员可以测量未知年龄的恒星的震动速度,再将该测量结果与类似大小的恒星的震动速度进行比较,从而知道恒星的年龄。

运用这个方法,天文学家找到了年龄最大的恒星——HD 140283。HD 140283距离地球只有190光年,年龄约为144.6亿岁。这个结果有些奇怪,对天文学稍有了解的人应该知道,根据现有理论,我们的宇宙只有138亿岁,HD 140283怎么可能比“母体”的年龄还要大呢?

恒星高寿难确定

之所以会出现这样的“乌龙”,其实是因为对于遥远而年老的宇宙和恒星而言,我们人类才是真正的胚胎,现有的理论和技术仅仅只能估算它们的年龄。

宇宙诞生之初的物质主要由氢元素组成,总量占到了宇宙元素总量的92%左右,其次是氦元素,大致为8%左右,另外就是锂、铍等一些元素了,但总量不到1%,所以这个时候形成的恒星金属丰度都非常低,基本都由氢和氦元素组成,因此判断恒星年龄的一个主要指标就是这颗恒星的金属丰度。2000年,欧洲天文局依巴谷卫星依据HD 140283的金属丰度数据计算出该恒星足足有160亿年的寿命。

到了2013年,美国天文学家霍华德·邦德对哈勃望远镜在2003至2011年间的观察数据进行了整理,从亮度、距离和质量等多个方面进行了计算,将HD 140283的年龄更新为144.6亿岁,误差大约在8亿年左右,也就是说这颗恒星的最小年龄为137亿岁,最大年龄达到153亿岁。虽然通过新的计算,HD 140283的年龄缩小了一些,但是新的年龄数据仍然有很大的概率要比宇宙的年龄还要大,原来的问题仍然没有得到解决。

如果HD 140283恒星的年龄没有错误,那会不会是我们计算的宇宙年龄有错误?这个可能性还是存在的,事实上,科学家也一直在怀疑我们现在所知的宇宙年龄可能并不正确。那么人类是如何计算出宇宙年龄的?其实是通过宇宙膨胀这一现象来测算的,2013年,科学家们根据宇宙当时的膨胀速度:67.4km/s/MPC(MPC:百万秒差距,约326万光年),算出了我们熟悉的宇宙年龄——138亿年。然而,宇宙膨胀的速度数值是不断变化的,最近的测量结果显示,这个数值已经由67.4变成了73左右,按照这个数值计算得到的宇宙年龄由138亿年变成了127亿年。因此,可以说宇宙的年龄我们也还不能确定。

确定恒星的年龄可能是寻找其他可居住世界——甚至是外星生命的关键。如果能找到与我们的太阳差不多年龄的其他恒星,我们很可能会在这些恒星系中找到另一个地球,事实上,大多数类地行星都发现在“类日恒星”附近。另一方面,通过准确地确定恒星的年龄,并把类地行星的搜索范围缩小到类似于我们太阳系的星系,我们就更有可能找到用于太空旅行或殖民化的下一个地球。如果地球不再适宜居住,我们还有可以搬家的备选家园,这也是拯救人类自己。

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