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追问消失的40亿年

2019-07-17

 

四年前,天文学家发现了几颗巨大的恒星——红巨星。但伴随而来却是一个悖论的诞生:尽管它们是由非常古老的恒星物质构成的,但它们的巨大质量却清楚地表明它们的年龄明显很小。这几颗红巨星的年龄之谜究竟是怎么来的?最近,来自德国马克斯普朗克太阳系研究所、丹麦奥尔胡斯大学和美国俄亥俄州立大学的科学家通过调查恒星从核心到表面的碳、氮和氧丰度,似乎解开了这一悖论。 

1. 在数百万年甚至数十亿年的生命历程中,恒星会经历不同的演化阶段——主序星(比如我们的太阳的现状)红巨星白矮星,它们的外观都有很大的不同。但是,恒星也像是害羞又傲娇的姑娘,它们可不会轻易显露年龄,至少乍看之下,我们是很难分辨它们到底多少岁了的。而且不同的恒星在每个阶段会持续的时间也各不相同。 

  不过,这些困难并不能阻止天文学家的求知欲,在揭开恒星年龄这一方面,从事天文学和天体物理学的研究人员们就宛若不解风情的钢铁直男,总是坚定地抱着势必要揭开恒星年龄的决心。他们通过进行深入地观察,可以重现一颗恒星的整个生命历程。在不断的探索下,他们已经拥有了各种用来测定恒星年龄的可靠方法。  

但也有一些棘手的案例,比如在四年前,来自莱布尼茨天体物理研究所和马普天文研究所的两个研究团队就发现了一些奇怪的红巨星。在对这些红巨星进行年龄测定后,他们得出了相差整整40亿年的结果——为什么这些红巨星可以集年轻与年迈于一身?  

2. 从那时起,这一矛盾的发现就引发了许多天文学家的兴趣。现在,科研人员终于为其中一部分神秘的红巨星揭开了年龄悖论之谜,他们的结论是:这些奇怪的恒星只是在佯装年轻,它们实际上年纪很大! 

从这些红巨星的构成材料来看,它们似乎已经有着超过100亿年的古老历史了。它们有着相对较少的含量,这是一种伴随着星系的演化过程而缓慢产生的元素。因此,与镁、硅和钙等其他元素相比,铁在古老恒星中的含量会很少而在年轻的恒星中会含量更多 

若要依据元素比例来判断恒星年龄,研究人员一般需要通过绘制恒星的光谱来确定恒星中的元素。他们将来自恒星的光分成不同的波长,得到一个光谱。在恒星内部发现的每一种元素都会在光谱中留下某种特殊的印记。 

另一种确定恒星年龄的方法依据的是星震学,也就是通过观测恒星的振荡特性,来推断恒星的质量。研究人员发现,这些匪夷所思的红巨星有着非常大的质量。质量大的恒星意为着它们内部的温度会非常高,里面的燃料会燃烧得相对较快。因此,大质量恒星的寿命通常比低质量的恒星要短得多。他们通过星震学方法,测出这些恒星的年龄小于60亿年 

3.到底是100亿年还是60亿年?现在,新的研究似乎解开了这个谜题。研究人员发现,在这些红巨星中,有一些似乎会有着极其曲折的过去,在它们从主序星向红巨星转化的期间或之后,可能会与其他恒星发生合并。因此,这些年迈的恒星有虽然有着巨大的质量,但这种质量并不是它们的原始属性。所以我们不能用质量作为测定它们年龄的标准。  

这样一来,测量恒星表面的碳、氮和氧的量就成了揭开年龄之谜的关键方法了。通过测量这些元素的丰度,研究人员就可以间接地观测到恒星内部。当主序星朝着生命的尽头迈进变成红巨星时,其内部的工作原理会发生改变:在核心形成的碳、氮、氧会上翻到表层巨大的等离子体流中,并且被探测到。然后根据恒星的温度和质量,就可以找到不同的元素比例。 

在一些测量中,研究人员得到了一些对应于低质量恒星的值。也就是说,在这些恒星成为红巨星之前,它们的质量是相对较轻的。由此推断它们现有的高质量是源于在变成红巨星之后,它们与其他恒星融合在一起才出现的。 

4.不过这一解释并不适用于这次研究的所有红巨星。研究人员发现,其中一些红巨星的超高质量(通过星震学方法测得的)与它们表面的碳、氮和氧的含量是相吻合的。因此他们推测,这些恒星可能在早期发展阶段,也就是核物质还没有翻转到恒星表面之前就与其他恒星合并了。不过,这只是一种合理的推测,我们仍需等待最终的确切解释。 

除此之外,新的研究还为研究恒星的碰撞与合并频率提供了一种新方法。对于那些有着动荡历史的红巨星,我们现在可以采用这样一种间接地方式,“婉转”地追问恒星的年龄。 
 

参考来源: 

https://phys.org/news/2019-06-heart-solution-red-giants-age.html 

来源:原理 



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