如何尋找太陽的“兄弟姐妹”？這三個(gè)條件缺一不可！

今天是小暑，雖然還沒到一年中極熱的時(shí)候，但太陽的“威力”已漸漸全面展現(xiàn)。炙熱的太陽讓我們不由得想到“后羿射日”這個(gè)神話。古時(shí)有十個(gè)太陽，都是天帝的兒子，當(dāng)他們同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，高溫肆虐，禾苗草木皆被烤焦，民不聊生。堯派神射手后羿，射落九日拯救了萬民。

雖然這只是個(gè)傳說，但是，你有沒有思考過一個(gè)問題，太陽真的有兄弟姐妹嗎？答案是肯定的，而且數(shù)量眾多，但是太陽在很久以前就和它的兄弟姐妹分開了，獨(dú)自游蕩在銀河系中。

圖 1. 太陽系的藝術(shù)圖（圖片來自ESA–Silicon Worlds）

01太陽誕生記

46 億年前，太陽系誕生在一片綿延數(shù)光年的星云中，這里充滿了氣體和塵埃，組成我們的所有物質(zhì)元素也都來自這里，包括我們體內(nèi)的碳、我們呼吸的氧，就像美國天文學(xué)家卡爾?薩根所說：我們都是由星塵構(gòu)成的。偶然的一個(gè)外力或者擾動，觸發(fā)了這片星云的引力不穩(wěn)定性，很多的團(tuán)塊開始塌縮，核心慢慢吸積周圍的氣體，逐漸長大，經(jīng)過上千萬年的時(shí)間，終于在核心區(qū)域發(fā)生了氫的聚變，一顆顆恒星誕生了。其中那顆普通而又不平凡的恒星就是我們的太陽。在這片星云中，可能誕生了上千顆恒星，它們都是太陽的兄弟姐妹。新誕生的大質(zhì)量恒星，發(fā)出熾烈的光和星風(fēng)，逐漸吹散了剩余的氣體和塵埃，留下了一個(gè)星團(tuán)。

太陽和它的兄弟姐妹誕生之后，由于受到其他恒星的引力作用，還有銀河系的旋轉(zhuǎn)作用，經(jīng)過千百萬年后，星團(tuán)變成了一個(gè)松散的團(tuán)體。又經(jīng)過億萬年，它們各自奔向不同的方向，漸行漸遠(yuǎn)，散落在銀河系各處，遙遙相望。因此，我們現(xiàn)在銀河系所處的位置并不是太陽誕生的地方，我們周圍最近的恒星也不是太陽的兄弟姐妹。那么太陽的老家在哪里？它的兄弟姐妹現(xiàn)在怎么樣了？在漫長的幾十億年之后，我們能否在銀河系千億顆恒星中找到他們？

圖2，詹姆斯.韋布望遠(yuǎn)鏡韋布望遠(yuǎn)鏡拍攝的蛇夫座星云的一角。星云中的亮點(diǎn)就是剛剛誕生的恒星。（圖片來自NASA, ESA, CSA, STScI, Klaus Pontoppidan (STScI), Alyssa Pagan (STScI)，參看《去幾百光年外的宇宙“看展”？這臺天文望遠(yuǎn)鏡，繪出恒星“搖籃”的畫卷！》

02 恒星的“DNA”——元素比例

銀河系中有上千顆恒星，我們怎么知道哪些是太陽的兄弟姐妹呢？對于我們?nèi)祟惗裕?yàn)證親緣關(guān)系最可靠的方法是“DNA”檢測。誕生于同一片星云的恒星，它們的年齡相仿，而且化學(xué)元素的比例是一致的。天文學(xué)家通過測定恒星的元素比例，為每一顆恒星貼上一個(gè)化學(xué)標(biāo)簽，這個(gè)標(biāo)簽就是恒星的“DNA”（同上），可以確定不同恒星之間的親緣關(guān)系。

天文學(xué)家用這個(gè)方法，找到了很多和太陽的元素比例很接近的恒星。其中在星團(tuán)M67中，大多數(shù)恒星都和太陽有類似的元素比例，而且這個(gè)星團(tuán)的年齡在35~48億年之間，和太陽的年齡接近。很多天文學(xué)家就推測，太陽是不是就是起源于M67星團(tuán)？在早年的時(shí)候從這個(gè)星團(tuán)脫離了。

僅僅依靠化學(xué)標(biāo)簽，還是存在很大的誤判概率。因?yàn)閷Ａ亢阈堑脑乇壤M(jìn)行統(tǒng)一測量，精度還不夠高。此外這個(gè)方法依賴兩個(gè)假設(shè)，其一，星云中的元素分布是均勻的；其二，每一片星云的元素比例是獨(dú)一無二的。然而，這兩個(gè)假設(shè)并不是嚴(yán)格成立的。

圖3，M67星團(tuán)。（圖片來自https://apod.nasa.gov/apod/ap070809.html，Credit & Copyright: Processing - Noel Carboni, Imaging - Greg Parker）

03 如何尋找太陽的兄弟姐妹？

那么我們還有沒有別的方法幫助證認(rèn)M67星團(tuán)成員是不是太陽的兄弟姐妹呢？銀河系中所有的恒星都在圍繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)，就像八大行星圍繞太陽旋轉(zhuǎn)。太陽現(xiàn)在以每秒大約230千米的速度繞銀河系中心運(yùn)動，估計(jì)需要2.3億年繞一圈，自誕生之后已經(jīng)繞了20多圈，這取決于太陽誕生的位置和遷移的路徑。我們知道太陽相對于銀河系中心的運(yùn)動速度和方向，再考慮銀河系的引力勢，可以模擬太陽過去20多圈的運(yùn)動軌跡。當(dāng)然還要考慮其他天體對太陽運(yùn)動軌跡的影響，這個(gè)模擬結(jié)果還有一些不確定性。

如果太陽是從M67星團(tuán)“離家出走”的，那么它們的運(yùn)動軌跡在過去幾十億年里，必然在某一時(shí)刻交匯在某一處，那就是太陽離開M67的時(shí)間和地點(diǎn)，在此之前，太陽和M67的運(yùn)動軌跡應(yīng)該一致。最新的模擬結(jié)果顯示，在某些特定的條件下，比如M67和一個(gè)或者多個(gè)星云碰撞之后，太陽才能逃離星團(tuán)，到達(dá)現(xiàn)在的軌道，但是這種碰撞事件很可能會導(dǎo)致M67星團(tuán)的解體。那么M67到底是不是太陽的母星團(tuán)，還需要天文學(xué)家更多的研究。

總之，判斷一顆恒星是否是太陽的兄弟姐妹，需要同時(shí)滿足下面三個(gè)條件，一是年齡和太陽相仿；二是化學(xué)元素比例和太陽一致；三是運(yùn)動軌跡和太陽在過去幾十億年里交匯在某處。

04 已經(jīng)找到的兄弟姐妹

結(jié)合恒星的年齡、化學(xué)標(biāo)簽和運(yùn)動學(xué)特征，天文學(xué)家確實(shí)找到了一些孤立的恒星，很可能是太陽的兄弟姐妹。2014年發(fā)現(xiàn)了第一顆，編號為HD 162826的恒星，距離我們110光年，它比太陽稍微大一些，直徑是太陽的1.3倍，這顆恒星同時(shí)滿足上述三個(gè)條件。

2018年發(fā)現(xiàn)了第二顆，編號是HD 186302，距離我們185光年，但是后續(xù)更加細(xì)致的運(yùn)動軌跡模擬發(fā)現(xiàn)，它并不滿足第三個(gè)條件。2020年又發(fā)現(xiàn)一顆編號為2M19354742+4803549，距離我們大約1100光年，比太陽要小一些，直徑是太陽的0.8倍。但是在2022年，通過更精細(xì)的光譜觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)這顆恒星非常年輕，大約3600萬年，所以它也不可能是太陽的兄弟姐妹。

其他還有幾百顆候選體，也可能是太陽的兄弟姐妹，只是現(xiàn)在的結(jié)果不確定性還很大，既不能肯定，也不能完全排除。上述三顆恒星是從數(shù)十萬顆恒星的觀測數(shù)據(jù)中才挑選出來的，而且后續(xù)的研究還排除了兩個(gè)，可見在銀河系的上千億顆恒星中，尋找太陽的兄弟姐妹，如同大海撈針，非常困難。

圖4. HD 162826（紅色圓圈標(biāo)記）所處的位置。（圖片來自：Tomruen/Creative Commons）

我們來自哪里？對于太陽來說，這個(gè)問題也還沒有答案。雖然太陽是我們最熟悉的恒星，也是我們研究的最多的恒星，但是關(guān)于太陽和整個(gè)太陽系的起源，還有很多未解之謎。尋找太陽的兄弟姐妹，將有助于解開這些謎題，比如太陽從哪里來？如何到達(dá)現(xiàn)在的位置？太陽系早期的周圍環(huán)境是什么樣的？對太陽系中行星的形成有什么影響？對于生命產(chǎn)生所需的環(huán)境有什么影響？

太陽和它的兄弟姐妹是不可能再次團(tuán)聚了，但是希望有朝一日，我們能夠找到它們，給它們“拍”一張全家福。

參考資料：

1. Elemental Abundances of Solar Sibling Candidates - NASA/ADS (harvard.edu)

2. The AMBRE project: searching for the closest solar siblings - NASA/ADS (harvard.edu)

3. Searching for solar siblings in APOGEE and Gaia DR2 with N-body simulations - NASA/ADS (harvard.edu)

4. 2205.01112.pdf (arxiv.org)

作者：閆震 中國科學(xué)院上海天文臺研究員

出品：科普中國

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