科普！星震学：研究天上的“地震”，了解恒星的“内心”

2019-12-31 11:14:21 来源：科技日报

说起星震学或者恒星震动，很多人可能会感觉到陌生。即使在天文学专业中，星震学也并不是一个很流行的方向。我们不妨从“地震”开始讲起。目前，地理学家对地球内部结构知之甚少，毕竟以当前科技，人类还不能钻入地球深处去直接研究地球内部。但是，地震这个让人闻风丧胆的家伙，却能够让科学家一窥地球内部的秘密。地震会产生地震波，这是一种在地球内部震荡和传播的波。这些地震波穿过不同物质时会有不同的表现。比如说，地震波在不同深度有着不同的传播速度，而横波无法在液体中传播。由此，人们绘制出了地球内部的大体轮廓，即地壳—地幔—地核的分层结构。

星星上有“地震”，太阳也不例外

天文学家研究恒星时也遇到了地理学家同样的难题。英国著名天文学家爱丁顿于1926年出版的《恒星内部结构》中就提出了著名的问题，大意为：“我们望远镜的视线能穿过数十亿光年的空间，但无法穿透恒星炽热的表面，我们如何才能知道恒星内部结构呢?”现在我们有了答案：天文学家可以通过观测在恒星内部传播的震动波，并结合基本物理知识，来推算恒星内部环境。这种和地震学如出一辙的研究方法就被称作“星震学”。

恒星有着几种震动模式。恒星震动一般是指全球的长时间的震动，而不像地震一样在一个很小范围并很短时间内发生。每种震动模式都有自己的震动周期，也会让恒星的亮度发生变化。天文学家通过长时间监测恒星亮度，即可知道恒星是否在震动，以什么模式在震动，从而开展进一步的研究。

很多恒星都在发生着震动，比如说太阳，研究太阳震动的学科也叫做日震学。太阳表面的震动模式数以千计，而一些振幅最强的模式，其周期在五分钟左右，这就是著名的“五分钟震荡”。天文学家利用太阳的震动了解了太阳的内部与演化的信息。

太阳震动主要有两种模式，压力模式和重力模式。压力模式主要发生在太阳比较浅的区域内，并在太阳内部不同深度传播。天文学家通过研究在不同深度传播的震动波，发现太阳在不同深度和不同纬度处的自转是不同的。这被称作较差自转，对太阳磁场和活动具有决定性作用。天文学家还利用日震学确定了太阳的年龄，并发现其与最老的陨石年龄相当。而重力模式目前还处在预言之中，并无广泛接受的观测证据。原因是重力模式发生在太阳内部，很难在表面观测到。

地球上“看不清”，到太空去看“地震”

为了更好地分辨恒星震动的模式和频率，星震学要求人们长时间不间断地监测某颗恒星的亮度。然而，这对于地面观测基本是不可能的，因为地面上总会有阴天下雨、昼夜交替等现象干扰观测。并且，随着太阳运动，一般的恒星总有大半年的时间无法观测，因为它们会在白天出现。

而2009年发射的开普勒空间望远镜解决了这些问题。开普勒卫星的主要科学目标是寻找系外行星。它会同时不间断地观测10万颗恒星的亮度，并寻找它们亮度忽然变暗的信号——这是行星通过恒星前方时遮挡了一部分光的结果。空间观测也避开了大气层和太阳月球的干扰，从而大幅提高了数据质量。

让人惊喜的是，开普勒卫星的观测数据正好也符合星震学的研究要求。目前开普勒卫星已经“退休”，它一共收集了长达4年几乎不间断的恒星亮度数据。这极大推动了星震学的研究工作。这些年星震学收获颇丰，如开普勒卫星观测了约一万五千颗和太阳震动相似的恒星，从而让科学家能精确地测量恒星的质量、半径、年龄等参数，进而精确推断其系外行星的参数。还记得在太阳上看不到的重力模式吗?人们在比太阳稍微热一点的恒星上发现了重力模式，由此研究了恒星内核上边缘的物理性质和自转速度。

正如地震使地理学家了解地球内部构造一样，恒星震动让天文学家能推算遥远恒星的内部性质。天文学家从而能精确地确定恒星的质量、半径、自转和演化阶段等参数，也能进一步地发展恒星物理的知识。随着如开普勒太空望远镜等一系列空间望远镜的升空，星震学迎来了其发展的黄金时代，更多关于恒星的秘密等着人们去揭开。(作者系澳大利亚悉尼大学物理学院博士生李刚)

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