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噫!天蝎座的心脏被偷拍了高清照

来源:科普中国网 2017-09-05     肖攀峰

  迄今为止最清晰的恒星表面图像

  ——天文学家成功绘制出太阳以外的第一张恒星表面的速度场分布

  借助于欧南台(ESO,欧洲南方天文台的简称,总部在德国慕尼黑的Garching,主要观测设施在智利的La Silla, Cerro Paranal和Chajnantor)的甚大望远镜干涉仪(VLTI),天文学家对红超巨星心宿二(距离地球约550光年,质量是太阳的12倍,半径是太阳的近700倍)进行了成像观测,得到了有史以来最清晰的恒星表面图像,并绘制出了心宿二表面气体物质运动的速度场分布图。从心宿二的表面图像和速度场图可以得知,在心宿二的延展大气中存在着剧烈的气体湍流。这也是人类第一次有能力绘制除了太阳以外的其他恒星的表面图像和速度场分布图,相关研究结果已于8月16日发表在著名学术刊物《自然》上。

  心宿二的高分辨表面图像(ESO/K. Ohnaka)

  心宿二表面的速度场分布(ESO/K. Ohnaka)

(红色表示区域内气体正朝远离地球的方向运动,

  蓝色表示区域内气体正朝靠近地球的方向运动,

  空缺的环状区域表示此处的气体运动速度没有测量值,并不是恒星表面的真实结构)

  太阳的速度场分布(左)和光球层像(右)(SOHO)

(图左:蓝色表示红色表示区域内气体正朝远离地球的方向运动,

  蓝色表示区域内气体正朝靠近地球的方向运动;

  图右:在太阳光球层像中,可见明显的太阳黑子群)

  太阳的高分辨率像(NASA/SDO/AIA)

  智利北方天主教大学(Universidad Católica del Norte)的天文学家Keiichi Ohnaka领导的一个研究小组利用欧南台Paranal天文台的甚大望远镜干涉仪(VLTI),成功地对心宿二(位于天蝎座,是一颗红色的恒星,位置恰好在天蝎的心脏附近)进行了高分辨率的成像观测和绘制速度场分布图。

  天蝎座及心宿二(红圈所示)在星图上的位置(ESO, IAU and Sky & Telescope)

  心宿二在天空的实际位置(图自网络)

  艺术家根据心宿二的高分辨率表面图像而绘制的心宿二的想象图(ESO/M. Kornmesser)

  所谓的甚大望远镜干涉仪(VLTI),即利用欧南台的4台8.2米口径的光学望远镜(这4台望远镜合称为甚大望远镜VLT)或VLT附属的较小口径(1.8米口径)的望远镜,对目标进行观测并干涉成像。VLTI最大可相当于一台拥有200米口径的单口径虚拟光学望远镜。运用干涉技术,可以获得比单台望远镜更清晰的图像细节特征,成像分辨率也大为提高。

  Paranal天文台的3条干涉基线(ESO)

(红线标示,数字1-4标出了VLT的位置)

  Keiichi Ohnaka说:“像心宿二这样的红超巨星为什么在演化的最后阶段会迅速损失质量?这个问题已经困扰了天文学家长达半个世纪。VLTI是唯一能够直接测量心宿二的延展大气中气体运动的设备,而测量心宿二大气的速度场是澄清这个难题的关键。在确定了心宿二大气中气体的运动(即绘制其速度场分布图)以后,科学家将面临的下一项挑战是找出心宿二延展大气中剧烈气体运动的形成机制。”

  利用观测的新数据,Ohnaka领导的研究小组成功绘制了太阳外的第一幅恒星表面的二维速度场图。他们运用VLTI(主要是VLT的3台附属望远镜AT和一台简称AMBER的干涉仪),在近红外波段获得了比心宿二直径精细7倍的分辨率的高分辨恒星表面图像(如果算上心宿二的延展大气厚度,这个分辨率相当于比心宿二直径精细12倍),并得出了在心宿二表面不同位置的气体和物质的相对速度。

  甚大望远镜VLT的附属望远镜AT(ESO/Y. Beletsky)

  AMBER干涉仪的内部结构(ESO)

(图中可见多个镜子和黄色的光纤,AMBER的光谱分辨率有三种,

  分别是R=30(低分辨率),R=1500(中等分辨率),和R=12000(高分辨率))

  天文学家发现,心宿二上气体的运动比之前理论预测的更剧烈,气体密度也更低(即大气更稀薄),这样的结果说明心宿二大气中的气体运动不太可能是由于对流产生的(对流在恒星内部是一种很常见的大尺度的能量传导方式(从产生热核聚变反应的内核将能量传导到恒星的外层大气)和物质运动方式,例如太阳)。因而,天文学家推断是一种现在还不清楚的物理机制造就了像心宿二这样的红超巨星的外层延展大气中的剧烈气体运动。

  太阳的对流区(Convective Zone)(UC Davis)

  “将来,这种观测技术(指VLTI的高分辨率干涉成像技术)可以运用到对不同光谱类型恒星(心宿二的光谱型是M,太阳的光谱型是G)的表面成像和大气研究中去,有助于了解它们那里正在发生的物理过程的细节,就像我们现在对太阳进行的观测研究一样”,Ohnaka总结道,“我们的工作仅仅是为恒星物理开启了一个新的方向,也为观测恒星天文学开启了一扇新的窗户。”

  (按恒星的光谱型特征,依次可分为O-B-A-F-G-K-M,其表面温度依次降低,

  Oh,Be A Fine Girl/Gentleman Kiss Me)

  后记:

  1.心宿二是一颗典型的红超巨星。所谓的“红超巨星”,是大质量恒星(质量在太阳的9倍至40倍)演化到末期的一个特殊阶段,当恒星变成红超巨星时,其大气层会延展到很远,恒星的体积也变大,大气层会变得十分稀薄,此时恒星也会变得更明亮。以心宿二为例,它现在的质量是太阳的12倍,但半径却是太阳的近700倍(由此不难算出,其平均密度只有太阳平均密度的3.5亿分之一,而它的延展大气的气体密度就更加稀薄)。心宿二被认为最初拥有15倍太阳的质量,在其生命演化过程中,有3个太阳质量的物质通过星风(类似太阳风)等形式被损失掉了。

  太阳和红超巨星心宿二的大小比较(wikipedia)

(太阳是图中右上方的小点,

  心宿二在图中的左下方)

  2.速度场分布图的绘制要求确定物质相对于地球的径向速度(即是靠近地球还是远离地球),而径向速度的测定则依赖于多普勒效应。多普勒效应使得光谱的谱线发生红移(发射谱线的物质远离地球时)或蓝移(发射谱线的物质靠近地球时)。最常见的多普勒效应就是火车朝我们驶来时,由远及近,火车的鸣笛声会越来越尖锐(因为声音的频率变高了,类似于谱线的蓝移),当火车驶过我们身边,向远处驶去时,由近及远,火车的鸣笛声会越来越低沉(因为声音的频率变低了,类似于谱线的红移)。

  2MK(2百万开尔文,不同高度的日冕的温度不同)日冕(太阳最外层大气)的EIS多普勒速度分布图(Nature/D. Brooks)

  (蓝色表示红色表示区域内气体正朝远离地球的方向运动,

  蓝色表示区域内气体正朝靠近地球的方向运动)

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