利用Kepler星震数据构建太阳质量恒星的演化轨迹

(看到这个题目估计有人说,“咦,你是不是穿越了”,的确,早在试稿时期我就写过一篇题目相当接近的介绍文章,不过这里我介绍的是另一篇文章,更加偏重于科学结果;这样的做的目的第一是不希望我们以前写过的文章逐渐沉底,非常希望能够就一些好玩,重要的问题写一些内容上相互连接的文章;第二,恒星演化模型+星震学真的非常的有意思,这是对天体物理最基础的理论之一的检验和延伸,也是在测光观测上不断追求极致的最好体现之一,没有理由不好好介绍一下)

文章:Constructing a one-solar-mass evolutionary sequence using asteroseismic data from Kepler

  • 作者:V. Silva Aguirre, W. J. Chaplin, J. Ballot, S. Basu, T. R. Bedding, A. M. Serenelli, G. A. Verner, A. Miglio, M. J. P. F. G. Monteiro, A. Weiss 等
  • 论文索引:astro-ph:1108.2031
  • 编辑整理:南京大学 黄崧

背景知识:

最近的星震学文章其实还是比较多的,在另外一篇文章的开头看到了一句我很喜欢的话:“A profound transition in our understanding of stars is now underway, and one of the major drivers is the detection of pulsations in large samples of sun-like stars.” 确实,日震学已经帮助我们揭示出了太阳物理中许多重要问题的“内部”,比如太阳中微子疑难,比如太阳黑子的产生和发展等等,虽然在星震学的观测上,目前还做不到这个程度,但也展示出了很好的前景,关于星震学的一些简单背景和参考资料,请看我们前面的文章

自从Kepler卫星上天后,其前所未有的精确测光带来了数百颗主序恒星中星震活动的发现,极大的拓展了对恒星整体震荡模式的研究;星震学研究的一个最主要的目的就是找到星震学测量参数与恒星基本物理参数之间的联系,并和我们目前的恒星演化模型进行对比;当研究的样本大到了可以选择出一组具有相同的某些物理性质的恒星的时候,还可以利用本文中使用的被称为比较星震学 (differential asteroseismology,按照意思翻译:a detailed seismic comparison of the inner structures of stars showing some similar property.)的方法,来研究这些恒星内部结构上的差异。

另外,在传统的方法中,通过恒星的某些观测性质来定恒星质量,丰度等基本参数的时候,更多要依赖光谱观测,并且最重要的是,依赖于目前已经发展出来的恒星演化模型,这种模型依赖的方法有很多的限制,比如“制造”这些模型的时候使用的各种假设和不同的参数选择,比如恒星大气是否符合局域热动平衡标准(LTE),需不需要以及如何考虑湍动的贡献等等,而且只能应用于模型适用的恒星;而星震学恰恰和传统方法互补,从完全独立于模型的角度给出了恒星的物理性质。本文正使用了Kepler卫星观测到的质量与太阳接近的恒星的整体星震学性质来建立了一个不依赖于模型的恒星演化序列。

在恒星基本物理信息的提取上,目前的星震学研究主要依赖于p-模式,也就是恒星内部压力不同产生局部声速变化驱动的震动模式,比如著名的太阳5分钟震荡,就是这个模式的。从星震学观测到的恒星整体p-模式震荡的功率谱上,可以提取出最大频率间隔(\Delta\nu)以及极大震动能量频率(\nu_{max})两个重要的参数,对于这两个参数,具体还是请参考前面的文章,但简单的说,它们都有着比较明确的物理对应,比如最大能量间隔与恒星平均密度的平方根成比例而极大能量频率则对应于恒星大气中的动力学时标。通过这样的关系,以及日震学对于太阳参数的精确校准,对于类太阳质量的主序星,恒星的质量,半径可以和它们建立起很好的联系:


fig1

对于太阳,有\Delta\nu_{\odot}=135.1 {\mu}Hz\nu_{max,\odot}=3150 {\mu}Hz 以及 T_{eff} = 5777K,所以,利用星震学测量和直接的多的有效温度的估计,恒星的质量和半径可以通过和模型无关的方法被提取出来,这就是所谓的“direct method”,这个方法已经被用来研究红巨星的性质和区分不同种类的恒星,而在本文中,作者把这个方法应用到了Kepler观测的太阳质量恒星上去。

本文工作:

在Kepler前7个月的观测中,一共从2000多颗类太阳光谱型的恒星中探测到了其中500多颗的震动模式,每颗恒星的观测采样频率都略短于一分钟,从这个庞大的时序数据中,星震学参数被提取出来;对于恒星的表面有效温度的测量,使用了利用SDSS和2MASS测光,并且有良好校准的红外流量方法 (InfraRed Flux Method:IRFM, 请参考延伸阅读)。在和恒星演化模型的比较上,使用了GARching STellar Evolution Code (GARSTEC) 在一定的丰度选择下计算演化轨迹。


fig1

Fig.1:Kepler探测到的所有有震动模式测量的恒星在有效温度-最大频率间隔上的分布;其中用不同的线表示出了太阳金属丰度下的 0.85, 1.00, 1.15太阳质量恒星的演化轨迹以及1.00太阳质量恒星在0.5倍太阳金属丰度下的演化轨迹 (标有1太阳质量的点线);图中也用太阳符号表示除了太阳的位置

主要结论:

在图1中,我们看到了所有500多颗恒星在恒星表面有效温度和最大频率间隔平面上的分布和与演化模型的叠加,已经可以看到有相当数量的恒星与模型限制出的太阳质量恒星在合理金属丰度下的分布区域重合,这些,也正是本文希望寻找的质量和1太阳质量很相近的恒星。另外,随着演化轨迹看过去,似乎恒星的分布分成了两组,有少量的恒星分布在图右上角区域,与其他的恒星分布之间有一个比较明显的空隙,这意味着恒星在这个空隙上经历了非常快速的演化,和模型演化轨迹比较,这个空隙正好对应于从主序拐折点向红巨星支的演化。此外,也有人认为,在这个阶段恒星的表面活动会增加,而我们已经知道恒星的活动加剧会影响星震学信号的测量。


fig1

Fig.2: 和上图类似,只是纵坐标变成了利用标度关系得到的表面重力系数,此外,红色的点标注出了质量在0.85-1.15太阳质量之间的恒星,已经有光谱确认的恒星用蓝色的点标注出。

利用前文提到的公式,一共有72颗恒星被选出;依然是通过星震学的信号,恒星表面重力系数也可以利用经验关系得到估计,图2中展示了在表面有效温度和重力系数平面上,这些恒星的分布,其中,图1中的演化过程的中的空隙依然可以看到。从图2上看,似乎大多数的恒星都分布在1太阳质量和太阳金属丰度演化轨迹的左侧,也就是有效温度比较高的一侧,这是个很有趣的现象,不过可能的解释也很多,包括星震活动对恒星性质依赖产生的样本选择中的偏差,以及从物理上看,恒星金属丰度分布的弥散引入的误差,(我们已经知道相同质量的恒星,金属丰度越低,光度越高),或者是太阳光谱型恒星的质量分布的平均质量比1太阳质量偏高等;不过,可以肯定的是,通过星震学的直接方法,一些恒星性质上的有趣的信息可以被揭示出来。

不过也需要注意的是,基于本文开始提到的公式得到的参数受到一些我们目前不清楚的恒星物理参数与星震模式之间的关系的影响,虽然叫做“直接方法”,并不意味着目前这个方法能提供比光谱拟合更精确的结果。这里面可能最重要的影响就来自上面提到的恒星金属丰度,如果能结合高分辨光谱观测精确测量的金属丰度和星震学的不依赖模型的方法,相信本文的工作可以有进一步的进展。

延伸阅读:

  • 1. Ensemble Asteroseismology of Solar-Type Stars with the NASA Kepler Mission (Science上的文章)
  • 2. Predicting the Detectability of Oscillations in Solar-type Stars Observed by Kepler
  • 3. 关于恒星活动性对于星震学探测的影响的文章
  • 4. 关于Kepler的星震学项目的介绍和第一批的结果
  • 5. Ulrich 1986年关于利用星震学确定恒星年龄的经典文章
  • 6. 利用Kepler星震学研究红巨星的工作
  • 7. 关于Kepler星震学时序数据处理的文章
  • 8. Keper太阳光谱型恒星的星震学数据处理的文章
  • 9. 关于利用Kepler星震学研究太阳质量恒星演化中的目标选择的文章
  • 10. 关于红外流量方法定标恒星表面有效温度方法的文章
  • 11. 关于本文中使用的Garching Stellar Evolution Code的介绍
    • 分享到:

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