[文章] 星震学的诞生

星震学的诞生

Douglas Gough 著 Shea 译


   随着日震学在研究太阳内部结构中取得成功，天文学家最近开始寻找存在于其他恒星的振动。天文学家尝试使用了许多技术，可是无一成功。然而，在1999年，马提克（Martic）等人发现了小犬α存在振动的证据。也许最令人信服的证据来自最近对水蛇β的观测。

   水蛇β确实非常有趣，因为它与太阳十分的相似，而且比太阳要年老得多；因此它被认为是太阳未来的缩影，那时太阳已耗尽中心区域的氢燃料，开始向老年阶段过渡。拜廷（Bedding）等人使用英澳天文台3.9m的望远镜对振动进行了观测。其结果刊登在《天体物理学报通信》上，这宣告了星震学的诞生。

   太阳是类太阳恒星的典型。其内部结构主要可分为3大区域：一个位于内部占半径70%的相对宁静区域，一个延伸到可见表面的湍动对流区，一个支撑着炽热日冕的较冷区域，除了在日食时，平时这一区域无法看见。由稠密（水密度的150倍）、炽热（1500万K）的内核区域中热核反应所产生的热量会传递到表面，在那儿辐射入太空。太阳外层是弥散的，其密度为水的百万分之一，且温度相对较低，约为5800K；在接近表面处的密度骤降，由此它可以反射振波。因此振波便被困在太阳内，但是表面附近可见层对振波的反应却可以被观测到。

   1596年法布利希思（Fabricius）第一个发现了鲸鱼ο由于振动引起的亮度变化。之后，又发现了成千上万的大振幅脉动星。就像鲸鱼ο，它们通常以一个或多个模式脉动。最著名的脉动星要属造父变星，它们的振动周期与光度之间存在着关系。通过测量遥远造父变星的光变周期，就可以推算出它的光度，与它的视亮度相结合就能推算出它的距离。通过它，我们迈出了确定宇宙尺度的第一步。

   作为大振幅脉动星，太阳的振动模式都是驻波式的。然而，不像造父变星，它们通过自身的不稳定性来自我驱动，而太阳内的振波则是稳定的且需要一些不同的机制连续驱动。策动力来自外层中的湍动对流，它会辐射出声能就像熔炉中的火焰。这些被困的振波会形成一个包含有多种离散共振模式的频谱。这些频谱中包含着对流区和内部辐射区的信息，但是受恒星大气结构的影响却不大。在太阳里，有数千个模式被观测到，其中有数百个被认为是真实存在的。通过分析这些振动的性质可以了解太阳的构造，就像地球物理学家通过研究地震波来了解地球。对太阳振动模式的研究可以使我们确定太阳内部的音速（其误差在0.1%左右），角速度和对流区中子午环流的情况。

   遥远的类太阳恒星被认为有着相似的振动。然而，这些振动中的大部分无法被现有的技术观测到，因为不仅空间而且时间上的变化也存在着振荡，因此来自恒星表面相异区域的信号会被抵消。一个潜在可测量的信号仅仅可能来自波长最大的模式——4πR/(2l + 1)，其中R为恒星的半径，l取0，1，2或3——这时恒星表面的抵消作用很不完全。在太阳中，大约仅有70个左右这样的振动模式。虽然，从这一小部分的数据仅能做有限的推测，但是，它们提供的信息却远远超出了其他的天文观测数据。

   为了理解星震学能带来些什么，可以考虑一下我们从日震学中得到了什么，同时把太阳设想成一颗遥远的恒星。恒星视面发出的光中的数据已被取得，包括多普勒效应和白光强度的变化，从中可以估计出振动的模式。另外，其他一些物理量，例如声波从中心运动到表面的时间t，氦的丰度以及对流区的深度，都可以被估算出（这些性质由空间分布上的观测首次被精确的确定）。同时，通过这些数据也可以测量产能的核区，它会由于核反应而变形，而且使用这些信息也可以校准理论模型进而估计太阳的年龄。此外，从振幅和声波频谱线的宽度，可以对驱动振动的对流有所了解。

   去年6月，拜廷对水蛇β进行了5个晚上的连续观测，总共进行了近1200次多普勒测量。水蛇β频谱中有一处能量集中与太阳的很相似。而且，这一能谱的总体形状与太阳的相仿，其总能量与太阳的也很相近。它与理论的偏差可以帮助我们完善对对流与脉动之间互相作用的认识。

   将能谱中个别的峰值与特定的振动模式联系起来是很困难的，因为由于只有一个观测站，其数据中不可避免地会出现白昼间隙，增加额外周期的数据需要引入更多的峰值（被称为窗口函数）。然而，相邻振动模式（取决于l）之间的大频率分离（large frequency separation）Δ的平均值可以被推算出。水蛇β的Δ的测量值与预期值很相近，此外，取决于最外层对流区的测量补偿值ε =ν<sub>0,0</sub>/Δ，与太阳的也很相似。小频率分离δ=ν<sub>n,l</sub>-ν<sub>n-1,l+2</sub>的平均值可以用来测量核区，证明水蛇β确实是一颗年老的恒星。

   距英澳天文台140°，位于智利的较小的伦纳德·欧拉瑞士望远镜在相同时间也取得了部分的数据。如果这些数据能被成功的组合起来，就能形成一个完整的数据链；窗口函数和振动模式的识别将会得到改善。同时，这些观测也为未来指明了方向，一个覆盖全球的观测网，例如全球望远镜（Whole Earth Telescope），可以使对演化到不同阶段恒星的连续多普勒观测成为可能。届时，星震学才能真正的蓬勃发展。


译自 [Science，23 Mar 2001]

水蛇座，南天星座之一。位于杜鹃座与山案座之间。

一个标示着霍金的头像、大谈多维膜的人居然不知道水蛇座，不知道这是中国业余天文界的悲哀还是中国教育的悲哀？！