红巨星的类太阳震动及其演化阶段

(今天给大家带来的是北京师范大学天文系姜碧沩教授介绍的关于Kepler星震学观测的文章,这里要特别的感谢姜老师对Astroleaks的支持和鼓励;如果你最近对astroph一直有所关注的话,应该会注意到Kepler和Asteroseismology经常同时的出现在文章的标题中,确实,虽然Kepler在搜索行星方面成果显著,但是同时也为星震学研究带来了很多全新的数据,让我们看到了利用星震学作为工具研究恒星结构和演化的前景和希望,自从Astroleaks和大家见面以来,也已经有过一两篇相关的文章了,以后也一定争取给大家介绍更多的这方面的工作吧)

文章 1:Gravity modes as a way to distinguish between hydrogen- and helium-burning red giant stars

  • 作者:Timothy R. Bedding, Benoit Mosser, Daniel Huber, Josefina Montalbán, Paul Beck 等
  • 论文索引:Nature 471, 608–611 (31 March 2011)
  • 编辑整理:北京师范大学 姜碧沩

文章 2:Astrophysics: The inner lives of red giants

红巨星很多时候也被叫做红变星,就是来自于它既红且变的特性. 红是因为温度低,大约三四千度的有效温度,这是因为处在主序之后,星体膨胀得很大,所以温度就降低了;变呢, 则是因为星体脉动就像脉搏一样,膨胀收缩,然后再膨胀收缩,这样一来就会导致光度、温度以及半径的周期性变化。红巨星因为光变幅度很大,是早期发现的变星的主要成员。

不过,在这里说到的类太阳震动,不是大规模的脉动,而是小尺度的脉动,也叫震动。什么是小尺度呢?比如红巨星的大规模的脉动带来的光变幅度可以达到三四个星等(在可见光波段),而类太阳震动常常只有几十个微星等(10^{-6}),是很难探测到的;另外,大规模的脉动周期很长,几十到几百天,而类太阳震动的频率却高了很多,大约在10到几百 μHz 的范围内,正是这不一样的频率,导致它能传达红巨星内部结构的一些信息。

红巨星的类太阳震动是一般由对流引起的,对流导致声波的形成,声波自表面向内部传播,有些恰好形成驻波,引起星体整体的变化。另一方面,重力波(不是引力波,是重力为恢复力的震荡波)主要在氦核内部传播。在一定条件下,声波和重力波可以相互作用,同时影响恒星表面的亮度变化的规则。比如,声波的变化规则本来是等频率间隔的,重力波的变化规则则是等周期几个的,如果产生了声波和重力波的混合模式,那么,情况就会发生变化。

绝大部分的混合模式中,中心的震动幅度都远远高于表面的,也就是说,是重力模占主导地位的,表现出来的光变规则自然就是类似重力波的了,也就是说,是接近等周期间隔的,这个周期间隔的大小当然与中心的密度有关,也就是说,通过测量周期间隔的大小,能够知道中心的密度。对于红巨星来说,恒星的核能源是氢壳层燃烧还是氦核燃烧,密度是不一样的,也就能够区分红巨星的演化阶段了,这样的事情恐怕只有星震一种方法可以做到了。遗憾的是,这样的重力波的模式惯性质量(mode mass,参与震动的恒星质量)非常大,使得震动的幅度到达表面时已经很小了,基本上是不能观测到的,即使是Kepler这样的卫星也无能为力。但是,有些模式的重力波与外层的声波产生共振,将加强震动的振幅,自然变得可以观测,改变了的是外层的声波,声波原有的等频率间隔被修改了,原有的频率相应地有了位移,这个特征叫做“mode bumping”(模式撞击)。好处是,这个频率位移的大小就包含了重力波的信息,也就是恒星内部的信息。

Bedding等的文章利用Kepler卫星的数据,对大约400颗红巨星的类太阳震动进行了功率谱分析,获得了频率间隔以及周期间隔,并且结合模型计算的结果,很好地把这些红巨星分成了氢壳层燃烧和氦核燃烧的两组,这样的有规模的工作好像还是第一次,非常有力地说明了星震是研究恒星内部结构的有效工具。

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图1:这样的图不是为大家所熟悉的,但是,在星震的理论研究里面却是非常普遍的,如果要看懂星震方面的文章,似乎是不可逾越的,这也是理论与观测结合的重要节点之一。

  • a) 丹麦奥尔胡斯大学的ASTEC模型计算的结果。参数:1.5MSun,氢壳层燃烧的红巨星。虚线代表径向模式(l=0),就是只有整体的径向震动;实线代表偶极模式(l=1)。横轴当然是年龄,不同的年龄其震动频率不一样。恒星模型的半径范围为6.3-6.7R_{\odot},光度为19.1-21.4L_{\odot}
  • b) 对应于图a中的垂直竖线的相邻l=1模式的周期间隔,重力模占主导地位的模式的周期间隔( ∆Pg)就是最大值,大约为75s。
  • c) 与图b对应的Echelle图,横轴是period modulo,就是周期除以周期间隔(这里用的是75.2秒)之后的余数。
  • d) 对应到实测源KIC6928997的Echelle图,不过,这一次用到的周期间隔是77.1s,因为真正的重力模的周期间隔是77.1s。观测的平均周期间隔则是55s,也就是说,这个观测值是受到了声波模式的调制的。
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图2:这样的图是大家比较熟悉的,几乎凡是涉及到变星的工作都会有这样的功率图,需要注意的是,这里的纵轴是单位频率的功率,从量纲上可以看出来。峰值上标的数字是级数,即l的值。如果仅有声波,那么对应一个l值只有一个峰值,从这个图上可以看出来,对于l=1的情况,实际上不止有一个峰,而是有了分裂,这就是混合模式导致的,也就是重力波影响的痕迹。比较上下两幅图,可以看出来,上面的恒星的分裂是比较小的,对应于周期间隔比较小,而下面的恒星的分裂是比较大的,对应到比较大的周期间隔。继续往前推进,上面的恒星处在氢壳层燃烧阶段,而下面的恒星不仅有氢壳层燃烧,中心的氦也已经在燃烧了。就是通过这样的测量,我们能够知道恒星内部的结构,恒星演化的阶段,毕竟红巨星是个不短的演化阶段,还可以分出子阶段来。

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图3:真正的Kepler观测(点)与理论模型(线、星号)的比对,横轴是声波模式的频率间隔。

  • a) 很清楚,根据周期间隔,恒星分成了两组,蓝色的点是氢壳层燃烧恒星(周期间隔比较短,143个源),其余的是氦核燃烧恒星(254个源);实线是理论的氢壳层燃烧模型,从右向左演化,星号是氦核燃烧的模型值。
  • b) 这个参数比较复杂,不具体解释,其中的灰点代表结果误差比较大的源;
  • c) 横轴对应的是声波的频率间隔,纵轴中的νmax是功率最大处的频率,纵轴的参量基本上不依赖于光度,其余的符号意义与上面的图一样。这里可以看出来红点和橙点的差别,就是质量是不一样的。

Kepler卫星原是为了搜寻系外行星而发射的,恒星天文学家不过是搭便车的,却收获了很多,发了不少星震方面的文章,有了不少鼓舞人心的结果,值得高兴。不过,真正要了解恒星的内部结构,需要完善的事情还很多很多,比如模型对对流的处理一直是个难题,观测的精度还需要更高才能确定更多的参数,包括低振幅的重力波。

延伸阅读:

1. Kepler自己网站上对这个工作的介绍

    分享到:

10 Replies to “红巨星的类太阳震动及其演化阶段”

  1. quanto

    Chrome 14.0.835.202 Windows XP

    “比如,声波的变化规则本来是等频率间隔的,重力波的变化规则则是等周期几个的,如果产生了声波和重力波的混合模式,那么,情况就会发生变化。”

  2. ZhiyuZhang

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    多谢姜老师的文章.

    为什么类似的工作需要 Kepler卫星来做? 地面望远镜能否做类似的研究?

    图1有点像做 Pulsa 的人做分析的时候使用的方法. 都是研究弱的周期信号,还可以分解成不同频率的信号叠加.

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