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计算恒星年龄的不同方法
发布时间:2024-12-13
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恒星的年龄不仅是研究恒星的一个重要参数,同时更是研究星系形成的一个重要参数。自从发现了太阳系以外的行星,人类便开始寻找适合生命存在的恒星系,因此需要了解恒星的年龄。只有在恒星达到一定的年龄,其星系中才有可能产生生命体,并一步步复杂化,恒星年龄是一个很关键的指数。推断恒星的年龄很难,特别是针对单一的恒星。通常得使用统计方法来推断这一类恒星的年龄。同时,如何确定所计算年龄的起点(原恒星演变过程中的某一时刻)也很重要。目前存在多种不同的计算方式,所得出的结果有时存在差异,我们这里只说常用的方法。

太阳目前是我们唯一能在实验室研究从而推算出年龄的恒星。它的年龄主要通过对陨石的研究来确定的。这是因为陨石是太阳系最古老的天体,是太阳系诞生初期的产物。因此,陨石的年龄自然很接近太阳的年龄。如果采用分析放射性元素分解程度的方法来分析陨石,我们可以知道太阳的年龄大约是45.5亿年。根据赫罗图为基础的恒星演变计算显示:和太阳类似的恒星的寿命大约是100亿年。

最常见的测定恒星年龄的方法是对恒星星团进行研究。同一星团里的恒星在同一时期形成,与太阳的距离也等同。我们可以用赫罗图画出一个星团的主序带。

我们经常会看到,星团中质量较小的恒星停留在主序带上,而较大的恒星已经脱离主序带。脱离主序带的恒星和停留在主序带的恒星的分界点叫作“拐点”。通过研究不同类型的恒星光谱,可以知道恒星停留在主序带的时间,由此可以从拐点推算出该星团的年龄,也就是该星团内恒星的年龄。在上面这张图上,我们看到不同星团,它们在赫罗图上的“拐点”不同,这意味着它们的年龄不相同。

其他的一些推算恒星年龄的方法并不需要赫罗图,而是基于对恒星的其他属性的研究,比如恒星的自转速度、震荡现象或自身运动速度。

我们在对恒星星团的观测中发现,在类似太阳的恒星星团里,恒星的旋转会随着年龄增长而减弱。由此科学家建立了恒星年龄——旋转校准法,恒星的旋转速度可以通过谱线的加宽而得出(这里的谱线增宽是由于恒星的不同部位的多普勒效应不同而产生的),由此也可以推算出恒星的年龄。这个方法叫作回转年代法(Gyrochronology)。目前,科学界普遍认为这个方法是推算矮恒星中黄矮星(G型)和橙矮星(K型)最好的方法。

我们还知道太阳经常会发生震荡现象,日震学(Helioseismology)就是研究这类现象的科学(这就好比地震学是研究地球上的振荡现象)。近些年来日震学领域研究有了很大进展。科学家发现,除了太阳,其他恒星也存在同样的震荡现象,相关的研究被叫作星震学(Asteroseismology)。我们可以通过探测和研究恒星的震荡,了解恒星内部情况,从而建立计算模型,继而推测出恒星的年龄。这是目前最准确的方法,可以用于太阳类的恒星,也适用于单一恒星,当然,用这个方法推算的恒星年龄的精确度取决于计算模型的质量。

通常,科学家使用不同方法计算恒星年龄,然后进行比较。

关于恒星的年龄研究目前还有很多需要改进的地方,天文学家对航天器的使用都抱有很高的期待。美国国家航空航天局的开普勒太空望远镜可以精确地观测十万多个类似太阳的恒星的光亮度及其变化(当行星在围绕这些恒星移动的过程中,当处于恒星与观测者之间时,会令恒星的光在到达观测者时产生局部遮蔽),这为我们了解这些遥远的恒星提供了非常丰富的信息。欧洲航天局的盖亚人造卫星(Gaia spacecraft)正在观测我们星系中的十亿多颗恒星:它们的位置、光亮度、光谱等,天文学家都热切盼望盖亚人造卫星的最终观测结果。同时,即将替代哈勃空间望远镜的詹姆斯·韦伯空间望远镜(James Webb Space Telescope)与以往其他空间设备相比更强大、精确度更高。所有这些努力必然会给人类对恒星的认识带来飞跃性进步,天文学家相信,在不久的未来会有很多令人振奋的新发现。

作者:丹尼尔·布丽欧(Danielle Briot),天文学家,法国巴黎天文台的研究员,主要研究领域涉及蓝巨星、太阳系外行星、寻找宇宙中适合生命的星球和天体生物学。

除了在天文台的研究工作,布丽欧女士还热衷于天文科普工作。她长期为各种科普报刊撰文,并多次作为嘉宾参加法国国家电台的系列天文科普节目,还著有天文学科普书籍《星星告诉我们》等。

恒星家族的极端

最古老的恒星

HE1523-0901是天秤座中的一颗红巨星,它就位于我们的银河系,距离地球约7500光年,你甚至可以用一架普通的望远镜看到它。不过,它几乎和我们的宇宙一样大,根据铀元素的衰变测算,它的年龄约有132亿岁,宇宙则是约137亿岁。

最年轻的恒星

原恒星是还在从它的母体巨分子云中获得质量的恒星,尚市变成主序星。原恒星是恒星进化中最早期的阶段,因此也是最年轻的恒星。

质量最小的恒星

2MASSJ0523-1403距离地球约40光年,可能是恒星成员中最小的恒星,质量小于0.08个太阳质量,视星等非常低,有效温度也很低。只有对红外线敏感的大型望远镜才能看见。

质量最大的恒星

R136a1是一颗蓝特超巨星,是目前已知质量最大的恒星,其质量是315太阳质量。它位于大麦哲伦星系的蜘蛛星云中。从蜘蛛星云放大至R136a超星团,从此图可以勉强看见R136a1、R136a2和R136a3位于右下方。最亮的恒星集群核心的左侧是R136c,另一个质量极高的恒星。

体积最大的恒星

盾牌座UY是一颗位于盾牌座的红色超巨星。这颗恒星是至今人类已知体积最大的恒星。根据天文学家的推测,这颗恒星的半径约为太阳半径的1000多倍,如果将盾牌座UY放在太阳系的中心,它的直径将接近太阳到土星轨道的距离。光环绕这颗恒星的赤道一周需时6.91小时,而光环绕太阳赤道一周仅需时14.5秒。这颗恒星能容纳约50亿个太阳,即6.5千万亿个地球。盾牌座UY(图片中最亮恒星)周围有大量恒星。由美国哥伦比亚大学拉瑟弗德天文台摄于2011年。