出品：科普中国
作者：郭帅帅（中国科学院云南天文台）
监制：中国科普博览
恒星，那些在宇宙中闪烁的光点，是宇宙中的巨大能量源，但巨大能量并不意味着永恒。恒星有着自己的寿命，它的年龄成为了宇宙中一个备受研究的重要课题，因为它不仅关乎着恒星本身的命运，还影响着宇宙的演化。那么，我们是如何测算恒星年龄的呢？
与我们自身的年龄计算方式不同，恒星年龄的测算需要依赖于一系列复杂的物理过程和观测数据。天文学家们精心研究了恒星的演化历程，观察它们的光谱、亮度、颜色等多种特征，以及与其他星际物质的相互作用。这些观测和研究帮助我们推断出恒星的年龄。
而在现代天文学中，自转-年龄关系成为了测定恒星年龄的重要方法之一。这一理论基于恒星的自转速度和年龄之间的关系，通过观测恒星的自转速度，我们可以推断出它们的年龄。
但是，如果当恒星附近有一颗热木星，那么恒星的年龄还会准确么？今天，我就和大家带着这个问题一起来看看在一颗热木星系统中，恒星的准确年龄是如何测定的。
大麦哲伦云的一个恒星形成区
（图片来源：维基百科）
恒星芳龄如何测量？由谁决定？
恒星的年龄问题历来都是天文学家们关注的焦点之一。
自转年龄定律是关于恒星自转速率与恒星年龄之间关系的一个重要定律，该定律最早由天文学家斯库曼齐（Skumanich）于1972年提出。这个定律描述了恒星的自转速率如何随着恒星年龄的增长而变化，从而提供了一种用恒星自转速率来估计恒星年龄的方法。
斯库曼齐发现的这个定律基于一系列观测数据和理论分析，主要关注了恒星的自转速率随时间的演化。
他的研究表明，在恒星的早期，自转速率非常快，但随着时间的推移，恒星的自转速率逐渐减慢。他将这种现象总结为一个简单的幂律关系，即恒星的自转速率与恒星年龄的平方根成反比。
这个关系意味着随着恒星年龄的增长，自转速率会逐渐降低。斯库曼齐的发现为恒星年龄的估计提供了一种基于自转速率的方法。
白矮星：恒星演化到生命末期
（图片来源：Veer图库）
虽然斯库曼齐提出的自转年龄定律在一些情况下可以提供较准确的年龄估计，但也需要考虑其他因素的影响，如恒星的初始自转速率、质量和金属丰度等。
例如，恒星的寿命与其质量息息相关，质量较小的恒星通常寿命更长，而质量较大的恒星则会更短暂。尽管如此，这个定律还是为研究恒星演化和年龄提供了一个重要的参考点。
自转速率的分布随恒星质量的关系图
（横轴为速率，纵轴为质量）
（图片来源：中国科学院）
30多年后，德国莱布尼兹天体物理研究所的巴恩斯通过天文观测很好地定义了恒星质量、恒星自转速率和年龄三者的相关性。当观测精度足够好时，能够使得单个恒星的计算误差控制在10%的范围内。
然而，自转-年龄关系并不适用于所有的恒星，通常适用于质量处于0.5到1.5倍太阳质量范围内的主序恒星。
在这个质量范围内，恒星的自转速度会随着时间的推移逐渐减慢，因为它们逐渐失去角动量。
这种自转减速与恒星的年龄有关，年轻的恒星自转较快，而年老的恒星自转较慢。研究人员认为，这种关系可能是恒星内部的磁场和对流运动导致的。
德国莱布尼兹天体物理研究所巴伯尔斯贝格研究园区
（图片来源：德国莱布尼兹天体物理研究所官网）
热木星是什么？它和木星有何关系？
在前面，我们介绍了如何通过单个恒星的自转得到其年龄。但是在我们的宇宙中，很多恒星并不是孤独存在的，它们类似于太阳系，拥有围绕它们旋转的行星从而组成行星系统。
这些行星各式各样，组成了复杂多样的行星系统。其中，热木星是非常特殊的存在，它的存在对行星形成理论提出了挑战。接下来我们就来了解一下这个神奇的天体。
NASA凌日系外行星勘测卫星（TESS）研究团队发现了最极端的超热木星之一，它可以在短短16小时内围绕其恒星旋转
（图片来源：《The Astronomical Journal》杂志）
第一颗确认存在的系外行星是1995年由两位瑞士天文学家迪德亚·奎洛兹（Didier Queloz）和米歇尔·迈耶（Michel Mayor）发现的，为此他们获得了2019年的诺贝尔物理学奖以表彰他们的突出贡献。
这颗行星被命名为飞马座51b，是一颗热木星。它绕着位于飞马座的一颗太阳类恒星飞马座51运行。这次发现的影响深远，不仅让人们重新思考了行星系统的多样性，也开启了寻找太阳系外行星的新时代。
飞马座51b属于类似于木星的气体巨行星，但与它的母星飞马座51的距离非常近，远远小于地球到太阳的距离。这个距离仅仅为0.0527倍的日地距离，这是什么概念呢？
系外行星飞马座51b和它的主星的艺术想象图
（图片来源：ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger）
要知道在我们太阳系中距离太阳最近的水星也有0.387倍的日地距离，这足足是飞马座51b的7倍。
如此近的距离导致它会接收到更多的恒星辐射，从而使得其表面温度达到了1000多摄氏度。如此高的温度使得它的大气变得过于膨胀，尽管它的质量是木星的一半，但是体积要比木星更大。
迄今为止，已经有200多颗热木星被证实，它们大多处于一种潮汐锁定的状态，即热木星的一面永远朝向恒星。
但是这种类似木星的巨行星环绕母星的方式与科学家们此前的理论预测不符，因为根据传统理论，行星应该在离母星更远的位置形成，行星系统最内部的区域只能容纳类地行星（例如地球、火星），而气态巨行星（例如木星）只能形成在“雪线”之外。
“雪线”标志着与恒星的距离很远，在那里，氦和氢是巨星气体的组成部分，可以存在于原始的气体尘埃盘中，而不会被恒星风的辐射吹散。
因此很多天文学家更倾向于认为这些热木星在刚形成时也像我们太阳系中的木星一样距离太阳很远，然后通过某些方式迁移到当前位置。
（上）迪德亚·奎洛兹（Didier Queloz）；（下）米歇尔·迈耶（Michel Mayor）
（图片来源：新华网）
现在，我们知道什么是热木星，那么它和木星的最本质的区别也显而易见。重点就体现在这个“热”上，热的原因就是离恒星太近了，受到恒星的辐射太多，导致它的大气被加热到很高的温度。
让恒星自转变化的神秘力量：潮汐力
我们现在已经知道了天文学家如何通过恒星自转得知恒星的年龄，也了解了什么是热木星。
此时我们回到最开始的问题，对热木星系统而言，自转-年龄关系得到的恒星年龄还可靠吗？答案当然是否定的。
如果将恒星和行星看作质点且将行星轨道看作圆形轨道，那么行星将绕着恒星进行匀速圆周运动，行星的轨道角动量是守恒的。
但是在实际情况中，在引力作用下天体会产生形变，此时天体不是理想状态下的均匀球体，行星的轨道将发生变化，两个天体之间将会发生角动量转移。
在下图中我们将尽可能简单的讨论这个问题。
首先，引力作用会导致天体形变，从而产生潮汐隆起。
其次，可以将天体看作两部分，即远离另一天体和靠近另一天体。
靠近另一天体的部分受到的引力大，而远离另一天体的部分受到的引力小。
对于图一，自转和公转速度相等，恒星和行星的受力方向始终指向中心，这使得在水平方向上不受力，即恒星和行星不发生角动量转移。
（图片来源：作者自制）
对于图二，恒星自转比行星公转速度快，那么恒星始终领先行星一个相位，此时行星受到的力f1和f2的合力有一个沿着公转切向的分力，这个分力使得行星轨道升高，由牛顿万有引力定律可知公转速度减慢。
而恒星受到的力F1和F2的合力有一个向右的分力导致自转减慢。这个过程可以理解为恒星自转角动量转移给行星轨道。
（图片来源：作者自制）
而图三和图二相反，恒星自转速度比行星公转速度要慢，通过同样的分析可知行星轨道降低，恒星自转加速，角动量由行星轨道转移给恒星。
（图片来源：作者自制）
简单总结这些过程就是，慢的要由快的给予补给。
通过恒星的自转-年龄关系我们还知道恒星自转本身就是逐渐减小的，图二和图一的过程最终必然会转变为图二的过程，目前通过望远镜观测带给我们的信息也告诉我们热木星系统中的恒星普遍转的要更快。这也就告诉我们对热木星系统而言，自转-年龄关系得到的恒星年龄必须要进行修正。
对WASP-19年龄的修正结果表明，它似乎变得太“年轻”了。
近期，在中国科学院云南天文台科研工作者的努力下，WASP-19的年龄得到了修正。这颗恒星的伴星是一颗质量略大于木星，轨道周期仅仅为0.79天的热木星。
如此近的距离极可能对恒星自转产生很强的潮汐加速作用。通过计算表明，在极端情况下，这颗热木星的存在可以使得实际年龄为100亿年的恒星的年龄被错误估计为几亿年。
结语
恒星年龄的测定需要天文学家们借助各种方法和理论，通过观察、模拟和计算，不断深入研究，以揭示这些宇宙之光的年龄之谜。
恒星年龄的探索不仅为我们提供了解宇宙演化的线索，也让我们更加敬畏于这些闪烁的宇宙明珠，它们或许已经存在了亿万年，也可能会在亿万年后渐渐消失于宇宙的时间长河之中，但是我们仍然可以通过它们残存的温度了解它们的一生。
人生亦是如此，正如恒星年龄的探索揭示了宇宙的奥秘一样，我们也应该珍惜自己有限的生命。既然这个世界没有永恒，那么就让我们在有限的一生中去创造、去探索、去爱、去经历。就像每一颗恒星都有自己的故事一样，我们也可以在浩瀚的宇宙中留下属于自己的璀璨光辉。
2023-09-15
扫码下载APP
科普中国APP
科普中国
科普中国
京公网安备11010202008423号