如何測量恒星的年齡？它或許沒你想象中年輕

出品：科普中國

作者：郭帥帥（中國科學院云南天文臺）

監(jiān)制：中國科普博覽

恒星，那些在宇宙中閃爍的光點，是宇宙中的巨大能量源，但巨大能量并不意味著永恒。恒星有著自己的壽命，它的年齡成為了宇宙中一個備受研究的重要課題，因為它不僅關乎著恒星本身的命運，還影響著宇宙的演化。那么，我們是如何測算恒星年齡的呢？

與我們自身的年齡計算方式不同，恒星年齡的測算需要依賴于一系列復雜的物理過程和觀測數(shù)據(jù)。天文學家們精心研究了恒星的演化歷程，觀察它們的光譜、亮度、顏色等多種特征，以及與其他星際物質(zhì)的相互作用。這些觀測和研究幫助我們推斷出恒星的年齡。

而在現(xiàn)代天文學中，自轉-年齡關系成為了測定恒星年齡的重要方法之一。這一理論基于恒星的自轉速度和年齡之間的關系，通過觀測恒星的自轉速度，我們可以推斷出它們的年齡。

但是，如果當恒星附近有一顆熱木星，那么恒星的年齡還會準確么？今天，我就和大家?guī)е@個問題一起來看看在一顆熱木星系統(tǒng)中，恒星的準確年齡是如何測定的。

大麥哲倫云的一個恒星形成區(qū)

（圖片來源：維基百科）

恒星芳齡如何測量？由誰決定？

恒星的年齡問題歷來都是天文學家們關注的焦點之一。

自轉年齡定律是關于恒星自轉速率與恒星年齡之間關系的一個重要定律，該定律最早由天文學家斯庫曼齊（Skumanich）于1972年提出。這個定律描述了恒星的自轉速率如何隨著恒星年齡的增長而變化，從而提供了一種用恒星自轉速率來估計恒星年齡的方法。

斯庫曼齊發(fā)現(xiàn)的這個定律基于一系列觀測數(shù)據(jù)和理論分析，主要關注了恒星的自轉速率隨時間的演化。

他的研究表明，在恒星的早期，自轉速率非?？?，但隨著時間的推移，恒星的自轉速率逐漸減慢。他將這種現(xiàn)象總結為一個簡單的冪律關系，即恒星的自轉速率與恒星年齡的平方根成反比。

這個關系意味著隨著恒星年齡的增長，自轉速率會逐漸降低。斯庫曼齊的發(fā)現(xiàn)為恒星年齡的估計提供了一種基于自轉速率的方法。

白矮星：恒星演化到生命末期

（圖片來源：Veer圖庫）

雖然斯庫曼齊提出的自轉年齡定律在一些情況下可以提供較準確的年齡估計，但也需要考慮其他因素的影響，如恒星的初始自轉速率、質(zhì)量和金屬豐度等。

例如，恒星的壽命與其質(zhì)量息息相關，質(zhì)量較小的恒星通常壽命更長，而質(zhì)量較大的恒星則會更短暫。盡管如此，這個定律還是為研究恒星演化和年齡提供了一個重要的參考點。

自轉速率的分布隨恒星質(zhì)量的關系圖

（橫軸為速率，縱軸為質(zhì)量）

（圖片來源：中國科學院）

30多年后，德國萊布尼茲天體物理研究所的巴恩斯通過天文觀測很好地定義了恒星質(zhì)量、恒星自轉速率和年齡三者的相關性。當觀測精度足夠好時，能夠使得單個恒星的計算誤差控制在10%的范圍內(nèi)。

然而，自轉-年齡關系并不適用于所有的恒星，通常適用于質(zhì)量處于0.5到1.5倍太陽質(zhì)量范圍內(nèi)的主序恒星。

在這個質(zhì)量范圍內(nèi)，恒星的自轉速度會隨著時間的推移逐漸減慢，因為它們逐漸失去角動量。

這種自轉減速與恒星的年齡有關，年輕的恒星自轉較快，而年老的恒星自轉較慢。研究人員認為，這種關系可能是恒星內(nèi)部的磁場和對流運動導致的。

德國萊布尼茲天體物理研究所巴伯爾斯貝格研究園區(qū)

（圖片來源：德國萊布尼茲天體物理研究所官網(wǎng)）

熱木星是什么？它和木星有何關系？

在前面，我們介紹了如何通過單個恒星的自轉得到其年齡。但是在我們的宇宙中，很多恒星并不是孤獨存在的，它們類似于太陽系，擁有圍繞它們旋轉的行星從而組成行星系統(tǒng)。

這些行星各式各樣，組成了復雜多樣的行星系統(tǒng)。其中，熱木星是非常特殊的存在，它的存在對行星形成理論提出了挑戰(zhàn)。接下來我們就來了解一下這個神奇的天體。

NASA凌日系外行星勘測衛(wèi)星（TESS）研究團隊發(fā)現(xiàn)了最極端的超熱木星之一，它可以在短短16小時內(nèi)圍繞其恒星旋轉

（圖片來源：《The Astronomical Journal》雜志）

第一顆確認存在的系外行星是1995年由兩位瑞士天文學家迪德亞·奎洛茲（Didier Queloz）和米歇爾·邁耶（Michel Mayor）發(fā)現(xiàn)的，為此他們獲得了2019年的諾貝爾物理學獎以表彰他們的突出貢獻。

這顆行星被命名為飛馬座51b，是一顆熱木星。它繞著位于飛馬座的一顆太陽類恒星飛馬座51運行。這次發(fā)現(xiàn)的影響深遠，不僅讓人們重新思考了行星系統(tǒng)的多樣性，也開啟了尋找太陽系外行星的新時代。

飛馬座51b屬于類似于木星的氣體巨行星，但與它的母星飛馬座51的距離非常近，遠遠小于地球到太陽的距離。這個距離僅僅為0.0527倍的日地距離，這是什么概念呢？

系外行星飛馬座51b和它的主星的藝術想象圖

（圖片來源：ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger）

要知道在我們太陽系中距離太陽最近的水星也有0.387倍的日地距離，這足足是飛馬座51b的7倍。

如此近的距離導致它會接收到更多的恒星輻射，從而使得其表面溫度達到了1000多攝氏度。如此高的溫度使得它的大氣變得過于膨脹，盡管它的質(zhì)量是木星的一半，但是體積要比木星更大。

迄今為止，已經(jīng)有200多顆熱木星被證實，它們大多處于一種潮汐鎖定的狀態(tài)，即熱木星的一面永遠朝向恒星。

但是這種類似木星的巨行星環(huán)繞母星的方式與科學家們此前的理論預測不符，因為根據(jù)傳統(tǒng)理論，行星應該在離母星更遠的位置形成，行星系統(tǒng)最內(nèi)部的區(qū)域只能容納類地行星（例如地球、火星），而氣態(tài)巨行星（例如木星）只能形成在“雪線”之外。

“雪線”標志著與恒星的距離很遠，在那里，氦和氫是巨星氣體的組成部分，可以存在于原始的氣體塵埃盤中，而不會被恒星風的輻射吹散。

因此很多天文學家更傾向于認為這些熱木星在剛形成時也像我們太陽系中的木星一樣距離太陽很遠，然后通過某些方式遷移到當前位置。

（上）迪德亞·奎洛茲（Didier Queloz）；（下）米歇爾·邁耶（Michel Mayor）

（圖片來源：新華網(wǎng)）

現(xiàn)在，我們知道什么是熱木星，那么它和木星的最本質(zhì)的區(qū)別也顯而易見。重點就體現(xiàn)在這個“熱”上，熱的原因就是離恒星太近了，受到恒星的輻射太多，導致它的大氣被加熱到很高的溫度。

讓恒星自轉變化的神秘力量：潮汐力

我們現(xiàn)在已經(jīng)知道了天文學家如何通過恒星自轉得知恒星的年齡，也了解了什么是熱木星。

此時我們回到最開始的問題，對熱木星系統(tǒng)而言，自轉-年齡關系得到的恒星年齡還可靠嗎？答案當然是否定的。

如果將恒星和行星看作質(zhì)點且將行星軌道看作圓形軌道，那么行星將繞著恒星進行勻速圓周運動，行星的軌道角動量是守恒的。

但是在實際情況中，在引力作用下天體會產(chǎn)生形變，此時天體不是理想狀態(tài)下的均勻球體，行星的軌道將發(fā)生變化，兩個天體之間將會發(fā)生角動量轉移。

在下圖中我們將盡可能簡單的討論這個問題。

首先，引力作用會導致天體形變，從而產(chǎn)生潮汐隆起。

其次，可以將天體看作兩部分，即遠離另一天體和靠近另一天體。

靠近另一天體的部分受到的引力大，而遠離另一天體的部分受到的引力小。

對于圖一，自轉和公轉速度相等，恒星和行星的受力方向始終指向中心，這使得在水平方向上不受力，即恒星和行星不發(fā)生角動量轉移。

（圖片來源：作者自制）

對于圖二，恒星自轉比行星公轉速度快，那么恒星始終領先行星一個相位，此時行星受到的力f1和f2的合力有一個沿著公轉切向的分力，這個分力使得行星軌道升高，由牛頓萬有引力定律可知公轉速度減慢。

而恒星受到的力F1和F2的合力有一個向右的分力導致自轉減慢。這個過程可以理解為恒星自轉角動量轉移給行星軌道。

（圖片來源：作者自制）

而圖三和圖二相反，恒星自轉速度比行星公轉速度要慢，通過同樣的分析可知行星軌道降低，恒星自轉加速，角動量由行星軌道轉移給恒星。

（圖片來源：作者自制）

簡單總結這些過程就是，慢的要由快的給予補給。

通過恒星的自轉-年齡關系我們還知道恒星自轉本身就是逐漸減小的，圖二和圖一的過程最終必然會轉變?yōu)閳D二的過程，目前通過望遠鏡觀測帶給我們的信息也告訴我們熱木星系統(tǒng)中的恒星普遍轉的要更快。這也就告訴我們對熱木星系統(tǒng)而言，自轉-年齡關系得到的恒星年齡必須要進行修正。

對WASP-19年齡的修正結果表明，它似乎變得太“年輕”了。

近期，在中國科學院云南天文臺科研工作者的努力下，WASP-19的年齡得到了修正。這顆恒星的伴星是一顆質(zhì)量略大于木星，軌道周期僅僅為0.79天的熱木星。

如此近的距離極可能對恒星自轉產(chǎn)生很強的潮汐加速作用。通過計算表明，在極端情況下，這顆熱木星的存在可以使得實際年齡為100億年的恒星的年齡被錯誤估計為幾億年。

結語

恒星年齡的測定需要天文學家們借助各種方法和理論，通過觀察、模擬和計算，不斷深入研究，以揭示這些宇宙之光的年齡之謎。

恒星年齡的探索不僅為我們提供了解宇宙演化的線索，也讓我們更加敬畏于這些閃爍的宇宙明珠，它們或許已經(jīng)存在了億萬年，也可能會在億萬年后漸漸消失于宇宙的時間長河之中，但是我們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^它們殘存的溫度了解它們的一生。

人生亦是如此，正如恒星年齡的探索揭示了宇宙的奧秘一樣，我們也應該珍惜自己有限的生命。既然這個世界沒有永恒，那么就讓我們在有限的一生中去創(chuàng)造、去探索、去愛、去經(jīng)歷。就像每一顆恒星都有自己的故事一樣，我們也可以在浩瀚的宇宙中留下屬于自己的璀璨光輝。