星震学揭示白矮星的结构

编译 高斯寒

令人惊讶的是，白矮星的内核——也就是以氦为燃料的烈火的残留物——富含氧元素。

NASA的钱德拉X射线天文卫星观察到，一颗白矮星经历了一次新星爆炸。白矮星的内部结构保存了它一生中主导的热核反应和混合过程的记录。科研人员现在已经利用星震学，艰辛地获知了一颗白矮星KIC08626021的结构

NASA的开普勒空间望远镜已经在地球跟踪轨道中，环绕太阳运行了将近9年，它最为人知的身份是“行星猎手”。它通过观察固定视野中15万颗恒星的亮度变化，探测到穿越系外行星所导致的周期性暗淡现象。对于星震学家来说，开普勒空间望远镜的观测也是一笔宝藏。星震学家分析恒星的固有脉动，获知恒星内部的物理性质。这类研究已经产生对恒星质量、温度和内部旋转速度的精确估测。

现在，诺埃米·贾米凯莱（Noemi Giammichele）与她在法国图卢兹大学和加拿大蒙特利尔大学的合作者已经运用星震学一窥白矮星的星核情况。白矮星是处在缓慢冷却阶段的恒星，白矮星标志着恒星生命周期的终结，但大质量恒星例外。贾米凯莱和她的同事分析了将近两年的开普勒空间望远镜对于白矮星KIC08626021的观察数据，查明昔日核燃烧的残余物——氦、碳和氧——是如何混合并沉降于恒星内部的。他们的研究结果以前所未有的细节再现了恒星的组成，证实了恒星演化理论的广泛轮廓，但对细节有重大的挑战。

衰老的恒星

恒星演化理论告诉我们，数十亿年以前，KIC08626021是一个火热的氢熔炉，就像目前的太阳一样。在它炽热稠密的内核中，氢经过核聚变成为氦，它的能量就来自核聚变反应；氢的外壳依然温度太冷而不会发生反应。当内核中的氢耗尽，内核熄灭，在恒星的重量下坍缩，在这个过程中，核心变得炽热，足以引燃在此前的核聚变过程中积累起来的氦。

这时候，开始产生丰富的恒星内部结构。星核的氦融合成为碳，一些碳元素夺取额外的氦原子核，形成氧元素。结果产生的高温引燃了位于星核周围区域的之前不活跃的氢。随着核聚变产物沉降，对流将物质在反应区之间运送，恒星的化学图谱变得更加复杂。

等到KIC08626021的核子火焰平息时，也就是大约800万年前，恒星的内含之物已经分成好几层，每一层都有独特的碳、氧、氦配比（更外层的氢已经在最终的核爆燃中被吹走）。恒星演化模型无法告诉我们那些层的准确性质。但是，从原理上来说，恒星的脉动——以亮度起伏的形式显现出来——能够做到这一点。

KIC08626021和其他脉动中的白矮星的光度由引力波调节，也就是浮力驱动下的密度涨落，持续不断地行经恒星内部。就像鸣响的铃铛一样，一颗恒星能够同时以多种共振的引力波模式（或者称为g模式）脉动。因为那些模式的周期依赖于内部的热力学性质（诸如密度和热容量），所以某些g模式携带了关于恒星内部分层的信息。

但是，由化学成分导致的影响微乎其微，尤其是在恒星内部深处的那些成分。在21世纪初，当一群天文学家试图使用来自地基的全球望远镜（Whole Earth Telescope）的数据，来确定一颗白矮星的结构时，结果模棱两可。直到天基的开普勒望远镜到来，借助它对宇宙清晰又连续不断的观察，天文学家这才有望观测到白矮星的脉动，并达到所需要的灵敏度和精确度，从而可靠地绘制出白矮星的内部情况。

模拟星震

KIC08626021的大小与地球相似，与地球的距离超过1000光年，在开普勒空间望远镜的机载摄像头抓拍到的9500万像素的图像中，它仅仅显示为一个像素。即便如此，从那个像素获得的将近有两年的光变曲线还是包含了许多信息。它一共揭示出8种g模式，振荡周期从两分钟到七分钟不等。振荡周期可以用微秒级的精确度解析——量级优于此前星震学研究中的测量值。

为了把观测结果转变为关于恒星内部的信息，通常会使用正演地震模型（forward seismic model），也就是用一系列可调整的输入参数描述恒星物理性质，预测恒星会如何随着时间脉动。当开普勒望远镜的数据开始涌入，图卢兹大学的斯特凡娜·沙尔皮纳特（S té phane Charpinet）和蒙特利尔大学的吉勒斯·方丹（Gilles Fontaine）已经在这些模型上进行了十多年的合作。但是，就像其他星震学模型，他们的模型对恒星结构的描述也很粗略。比如，他们假定恒星内部不是层状结构，而是均匀混合的。模型通常只接受4或5个输入参数——再多的话，数值算法就可能表现失常。

当贾米凯莱以研究生的身份加入方丹的研究团队，她运用计算空气动力学的技术，使得模型能够处理额外的参数，而那些参数是描述恒星层状构成所必需的。因为新模型有着十多种可调整的参数，但开普勒空间望远镜仅仅确定了KIC 08626021的8种g模式的周期，从理论上来说，这不保证会产生唯一解。然而，在对假想的恒星进行试运行时，科研人员证实：甚至在仅仅知道5种g模式的某些情况下，模型还是能生成用数值验证的唯一解。

“但恒星得要配合才行。”贾米凯莱说。也就是说，探测到的g模式应该各自探索不同的区域，提供关于恒星内部的互补信息。比如说，假如观测到的脉动包括偶极和四极的g模式，这样就有所帮助；许多恒星只显示出其中的一种。在开普勒望远镜最初4年的运行中，只探测到6颗白矮星，KIC 08626021是其中的一颗，结果证明它相当配合。

藏在细节中的魔鬼

星震学揭示出的白矮星KIC08626021的化学图谱。这颗白矮星的质量大约是太阳的一半，核心富含氧和碳，外围富含氦，这点符合恒星演化理论。（径向距离随着分数质量深度而增加。）但氧的质量分数（在恒星核心的比例超过85%）过于大，当前的理论还解释不了。此处的M＊是白矮星的质量，M(r)是半径r之内的白矮星质量，阴影区对应于1σ上的置信区间

当贾米凯莱与她的合作者将他们的星震学模型应用到KIC 08626021上时，得到的结果大部分符合恒星演化模型的预测：在它的核心，是一个由碳和氧构成的致密球体；随着与中心的径向距离增加，氧的水平急剧下降，氦的水平急剧增加，碳的水平先增加后减少。在那份图谱的细节中，星震学结果与恒星演化理论出现不一致。在星震学模型里，恒星中心有着超过85%的氧——比领先的恒星演化模型所预测的数值多了大约15%。整个恒星中的氧碳比的平均值大约是4:1；恒星演化理论预测值是2:1。

氧的过量表明：某种程度上，在氦燃烧阶段给恒星供能的反应链进行得比恒星演化理论所预测的更快——要么是因为理论低估了“碳变成氧”反应的比率，或者是因为：在给燃烧的星核补充新鲜氦元素方面，混合过程意外高效。

“恒星演化理论肯定遗漏了什么。”比利时鲁汶大学的康妮·阿茨（Conny Aerts）说道，“过去30年里我们认为很棒的理论实际上并不足够好。”

对白矮星结构的理解得到改进后，有助于完善预测恒星年龄的方法，帮助天文学家更加准确地解读Ia型超新星的光变曲线。当一颗物质积聚的白矮星超过了临界质量，就会发生猛烈的爆炸，这就是Ia型超新星。然而，从一颗恒星的单次研究中能推断出多少信息哪？

这个问题也许在不久后就会变得无关紧要。开普勒空间望远镜的后续任务K2在2014年启动，正在以相当快的速度发现脉动中的白矮星。贾米凯莱说：“K2是一座金矿， 已经有60颗左右的白矮星让我分析。我不是说它们中的每一颗都会给出结果，但有很大一部分白矮星确实在配合。”