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恒星芳龄几何？自转泄露天机

恒星芳龄几何？自转泄露天机
艺术家笔下的“宇宙时钟”，表现了天文学家已经利用恒星自转以及质量，精确测量出了恒星的年龄。图片来源：Michael Bachofner

　　你还是个孩子的时候，每个生日都值得庆贺一番，但随着你逐渐长大，生日带来的激动也会越来越少。甚至于，你不想承认自己又老了一岁。而且，你或许会意识到，随着年龄的增长，你的动作也越来越迟缓了。不只你是这样——天上的星星也同样如此。随着年龄的增长，恒星也会行动迟缓，只不过星星的年龄是个秘密，保守得相当严密。天文学家正打算利用这一事实，推算出恒星的年龄。

　　美国哈佛－史密松天体物理中心的索伦·迈博姆（Soren Meibom）说：“我们的目标是构建一个‘时钟’，根据恒星的自转精准地测定出恒星的年龄。我们已经朝着构建这个‘时钟’又迈进了一大步。”

　　在 1 月 5 日召开的美国天文学会会议上，迈博姆介绍了他们团队的这一发现。他们的结果首次将这样的观测扩展到了年龄超过 10 亿岁的恒星上，甚至逼近了年龄已有 46 亿岁的太阳。

　　有能力测定恒星的年龄，是理解涉及恒星及其伴星的天文现象如何随时间演变的基础。

　　了解一颗恒星的年龄，对于在太阳系外搜寻外星生命的迹象来说，也特别重要。地球上的生命花了很长一段时间才演化到我们今天所见的复杂程度。有了一台准确的恒星“时钟”，天文学家就能够辨认出那些跟我们的太阳同样古老甚至更加古老的恒星，以及它们的行星。

　　恒星自转的速度取决于年龄，因为随着时间的流逝，自转会逐渐变慢，就像在桌子上旋转的玩具陀螺。恒星的自转还取决于它的质量；天文学家已经发现，较大、较重的恒星往往比较小、较轻的恒星自转得更快。这项新的研究证明，在恒星的质量、自转和年龄之间，存在某种紧密的数学关联，因此只要测量出前两个量，科学家就能计算出第 3 个。

　　研究合作者、德国莱布尼兹天体物理研究所的西德尼·巴恩斯（Sydney Barnes）解释说，“通过观测我们已经知道年龄的单颗恒星，我们发现质量、旋转速度和年龄之间的关系在 10% 的精度范围内吻合得相当好。”

　　这个方法最早是巴恩斯在 2003 年根据先前所做的研究而提出的，他称之为旋转年龄测定法。

　　为了测量恒星的自转，天文学家会观测恒星由于表面出现黑子而导致的亮度变化——就像太阳表面也会出现太阳黑子一样。不过，与我们的太阳不同，遥远的恒星只是一个无法分辨出细节的光点，因此天文学家没有办法直接看到黑子移过恒星的圆面。相反，他们只能看到黑子出现时恒星会略微变暗，黑子移走时又会再变亮回来。

恒星芳龄几何？自转泄露天机
恒星表面就像太阳一样也会出现黑子，通过观测黑子经过恒星表面而导致的亮度变暗，天文学家能够测定遥远恒星的自转周期。不过，越年轻的恒星黑子较多，较大，更容易测量。而越古老的恒星黑子越小也越少。因此年龄越大的恒星，测量自转也要困难许多。图片来源：David A. Aguilar (CfA)

　　这样的亮度变化测量起来非常困难，因为通常黑子导致的恒星变暗幅度要远远低于1%，而且黑子从恒星表面移过通常需要好几天。研究团队利用 NASA 开普勒探测器（Kepler）采集的数据完成了这一壮举，这个探测器对诸多恒星的亮度进行了精确而又连续不断的测量。

　　为了让旋转年龄测定法足够精确，天文学家必须对年龄和质量都已知的恒星测量自转周期，从而校准他们的这台新“时钟”。迈博姆及其同事先前研究了一个年龄约为 10 亿年的星团。而这项新的研究则测量了另一个年龄约为 25 亿年的星团，即 NGC 6819，从而大大扩展了这一方法适用的恒星年龄范围。

　　迈博姆说，“年龄更大的恒星，拥有的黑子就更少，也更小，使得它们的自转周期更难以测定。”

　　研究团队检验了质量介于太阳 80% 到 140% 之间的恒星。他们测量出了 30 颗恒星的自转，周期介于 4 天到 23 天之间，而现在太阳的自转周期是 26 天。NGC 6819 中的 8 颗与太阳最相似的恒星，平均自转周期为 18.2 天，强烈暗示太阳在大约 25 亿岁时（约 20 亿年前），自转周期大约也是 18 天左右。

　　接着，研究团队评估了若干现有的计算机模拟，基于恒星的质量和年龄计算自转速度，然后判断哪个模型最符合他们的观测。

　　“现在，通过测量恒星的自转周期，我们已经能够推算出大量恒星的准确年龄了。”迈博姆宣称，“对于研究恒星及其伴星演化的天文学家来说，这是一个重要的新工具。它还能帮助我们辨认出那些足够古老、让复杂生命有时间演化形成的行星。”

　　这项研究于 2015 年 1 月 5 日在线发表在《自然》杂志网站上。

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