星震學揭示白矮星的結構

編譯 高斯寒

令人驚訝的是，白矮星的內核——也就是以氦為燃料的烈火的殘留物——富含氧元素。

NASA的錢德拉X射線天文衛星觀察到，一顆白矮星經歷了一次新星爆炸。白矮星的內部結構保存了它一生中主導的熱核反應和混合過程的記錄。科研人員現在已經利用星震學，艱辛地獲知了一顆白矮星KIC08626021的結構

NASA的開普勒空間望遠鏡已經在地球跟蹤軌道中，環繞太陽運行了將近9年，它最為人知的身份是“行星獵手”。它通過觀察固定視野中15萬顆恒星的亮度變化，探測到穿越系外行星所導致的周期性暗淡現象。對于星震學家來說，開普勒空間望遠鏡的觀測也是一筆寶藏。星震學家分析恒星的固有脈動，獲知恒星內部的物理性質。這類研究已經產生對恒星質量、溫度和內部旋轉速度的精確估測。

現在，諾埃米·賈米凱萊（Noemi Giammichele）與她在法國圖盧茲大學和加拿大蒙特利爾大學的合作者已經運用星震學一窺白矮星的星核情況。白矮星是處在緩慢冷卻階段的恒星，白矮星標志著恒星生命周期的終結，但大質量恒星例外。賈米凱萊和她的同事分析了將近兩年的開普勒空間望遠鏡對于白矮星KIC08626021的觀察數據，查明昔日核燃燒的殘余物——氦、碳和氧——是如何混合并沉降于恒星內部的。他們的研究結果以前所未有的細節再現了恒星的組成，證實了恒星演化理論的廣泛輪廓，但對細節有重大的挑戰。

衰老的恒星

恒星演化理論告訴我們，數十億年以前，KIC08626021是一個火熱的氫熔爐，就像目前的太陽一樣。在它熾熱稠密的內核中，氫經過核聚變成為氦，它的能量就來自核聚變反應；氫的外殼依然溫度太冷而不會發生反應。當內核中的氫耗盡，內核熄滅，在恒星的重量下坍縮，在這個過程中，核心變得熾熱，足以引燃在此前的核聚變過程中積累起來的氦。

這時候，開始產生豐富的恒星內部結構。星核的氦融合成為碳，一些碳元素奪取額外的氦原子核，形成氧元素。結果產生的高溫引燃了位于星核周圍區域的之前不活躍的氫。隨著核聚變產物沉降，對流將物質在反應區之間運送，恒星的化學圖譜變得更加復雜。

等到KIC08626021的核子火焰平息時，也就是大約800萬年前，恒星的內含之物已經分成好幾層，每一層都有獨特的碳、氧、氦配比（更外層的氫已經在最終的核爆燃中被吹走）。恒星演化模型無法告訴我們那些層的準確性質。但是，從原理上來說，恒星的脈動——以亮度起伏的形式顯現出來——能夠做到這一點。

KIC08626021和其他脈動中的白矮星的光度由引力波調節，也就是浮力驅動下的密度漲落，持續不斷地行經恒星內部。就像鳴響的鈴鐺一樣，一顆恒星能夠同時以多種共振的引力波模式（或者稱為g模式）脈動。因為那些模式的周期依賴于內部的熱力學性質（諸如密度和熱容量），所以某些g模式攜帶了關于恒星內部分層的信息。

但是，由化學成分導致的影響微乎其微，尤其是在恒星內部深處的那些成分。在21世紀初，當一群天文學家試圖使用來自地基的全球望遠鏡（Whole Earth Telescope）的數據，來確定一顆白矮星的結構時，結果模棱兩可。直到天基的開普勒望遠鏡到來，借助它對宇宙清晰又連續不斷的觀察，天文學家這才有望觀測到白矮星的脈動，并達到所需要的靈敏度和精確度，從而可靠地繪制出白矮星的內部情況。

模擬星震

KIC08626021的大小與地球相似，與地球的距離超過1000光年，在開普勒空間望遠鏡的機載攝像頭抓拍到的9500萬像素的圖像中，它僅僅顯示為一個像素。即便如此，從那個像素獲得的將近有兩年的光變曲線還是包含了許多信息。它一共揭示出8種g模式，振蕩周期從兩分鐘到七分鐘不等。振蕩周期可以用微秒級的精確度解析——量級優于此前星震學研究中的測量值。

為了把觀測結果轉變為關于恒星內部的信息，通常會使用正演地震模型（forward seismic model），也就是用一系列可調整的輸入參數描述恒星物理性質，預測恒星會如何隨著時間脈動。當開普勒望遠鏡的數據開始涌入，圖盧茲大學的斯特凡娜·沙爾皮納特（S té phane Charpinet）和蒙特利爾大學的吉勒斯·方丹（Gilles Fontaine）已經在這些模型上進行了十多年的合作。但是，就像其他星震學模型，他們的模型對恒星結構的描述也很粗略。比如，他們假定恒星內部不是層狀結構，而是均勻混合的。模型通常只接受4或5個輸入參數——再多的話，數值算法就可能表現失常。

當賈米凱萊以研究生的身份加入方丹的研究團隊，她運用計算空氣動力學的技術，使得模型能夠處理額外的參數，而那些參數是描述恒星層狀構成所必需的。因為新模型有著十多種可調整的參數，但開普勒空間望遠鏡僅僅確定了KIC 08626021的8種g模式的周期，從理論上來說，這不保證會產生唯一解。然而，在對假想的恒星進行試運行時，科研人員證實：甚至在僅僅知道5種g模式的某些情況下，模型還是能生成用數值驗證的唯一解。

“但恒星得要配合才行。”賈米凱萊說。也就是說，探測到的g模式應該各自探索不同的區域，提供關于恒星內部的互補信息。比如說，假如觀測到的脈動包括偶極和四極的g模式，這樣就有所幫助；許多恒星只顯示出其中的一種。在開普勒望遠鏡最初4年的運行中，只探測到6顆白矮星，KIC 08626021是其中的一顆，結果證明它相當配合。

藏在細節中的魔鬼

星震學揭示出的白矮星KIC08626021的化學圖譜。這顆白矮星的質量大約是太陽的一半，核心富含氧和碳，外圍富含氦，這點符合恒星演化理論。（徑向距離隨著分數質量深度而增加。）但氧的質量分數（在恒星核心的比例超過85%）過于大，當前的理論還解釋不了。此處的M＊是白矮星的質量，M(r)是半徑r之內的白矮星質量，陰影區對應于1σ上的置信區間

當賈米凱萊與她的合作者將他們的星震學模型應用到KIC 08626021上時，得到的結果大部分符合恒星演化模型的預測：在它的核心，是一個由碳和氧構成的致密球體；隨著與中心的徑向距離增加，氧的水平急劇下降，氦的水平急劇增加，碳的水平先增加后減少。在那份圖譜的細節中，星震學結果與恒星演化理論出現不一致。在星震學模型里，恒星中心有著超過85%的氧——比領先的恒星演化模型所預測的數值多了大約15%。整個恒星中的氧碳比的平均值大約是4:1；恒星演化理論預測值是2:1。

氧的過量表明：某種程度上，在氦燃燒階段給恒星供能的反應鏈進行得比恒星演化理論所預測的更快——要么是因為理論低估了“碳變成氧”反應的比率，或者是因為：在給燃燒的星核補充新鮮氦元素方面，混合過程意外高效。

“恒星演化理論肯定遺漏了什么。”比利時魯汶大學的康妮·阿茨（Conny Aerts）說道，“過去30年里我們認為很棒的理論實際上并不足夠好。”

對白矮星結構的理解得到改進后，有助于完善預測恒星年齡的方法，幫助天文學家更加準確地解讀Ia型超新星的光變曲線。當一顆物質積聚的白矮星超過了臨界質量，就會發生猛烈的爆炸，這就是Ia型超新星。然而，從一顆恒星的單次研究中能推斷出多少信息哪？

這個問題也許在不久后就會變得無關緊要。開普勒空間望遠鏡的后續任務K2在2014年啟動，正在以相當快的速度發現脈動中的白矮星。賈米凱萊說：“K2是一座金礦， 已經有60顆左右的白矮星讓我分析。我不是說它們中的每一顆都會給出結果，但有很大一部分白矮星確實在配合。”