如何测量恒星与行星的年龄？

天文学家利用哈勃望远镜在2014年拍摄的哈勃极深场。（图源：NASA，ESA）

这篇文章原本发表于The Conversation。这篇文章在space的专论与深度解析上发表的。

亚当·伯加瑟是加州大学圣地亚哥分校的天文学和天体物理专业的教授，也是研究最冷的恒星，褐矮星，系外行星的一位观测天体物理学家

测量行星的年龄可以帮助科学家们了解它们是何时形成以及如何演化的-而且，对于行星而言，生命是否有时间在上面演化。

但是，对于宇宙空间中的物体，年龄是十分难测量的。

太阳类的恒星在过去的几十亿年都保持着相同的光度，表面温度和半径。行星的各种特征-例如温度，一般是由恒星的特性决定的，而非自己本身的年龄和进化。

因此确定恒星或者行星的年龄就像去猜一个从出生到退休都长得一模一样的人的年龄。

猜测恒星的年龄

幸运的是，随着时间的推移，恒星的光度和颜色都会慢慢的改变。利用很精确的仪器，天文学家可以通过测光数据与数学模型的预测进行对比，从而预测恒星变老之后会发生什么，进而估算出年龄。

恒星不只发光，它们还自转。随着时间的推移，它们的自转速度会下降，就像一个旋转的轮子在遇到摩擦力后会慢慢的减速。通过比较不同年龄段的恒星的自转速度，天文学家可以建立一个描述自转速度和年龄的数学关系，这种方式被称为回转年代学。

研究人员估计太阳的年龄是45.8亿年。（图源：NASA）

恒星的自转同时也会产生一个很强的磁场和磁活动，例如恒星耀斑——在恒星表面发生的强大的能量和光爆发。一个持续的衰减的磁场也可以帮助估算恒星的年龄。

另一个更加复杂的估算方法叫做星震学，即测量恒星内部的震荡。天文学家会在恒星表面研究产生于穿过恒星内部的震波，年轻的恒星相对于年老的恒星有着不同的震荡模式，通过这种方式，天文学家们估算出太阳的年龄大约是45.8亿年。

星震学的原理（图源：Wikipedia）

拼凑出行星的年龄

太阳系内，放射性元素是确定行星年龄的关键。这种特殊的原子会在很长的时间内慢慢的衰变。作为自然存在的石头，放射性元素帮助科学家们确定很多物品的年龄，从石头到骨头和罐子。

运用这个方法，科学家们可以确定已知最古老的陨石的年龄大约在45.7亿年，与太阳的年龄几乎吻合。在地球上找到的最古老的石头比较年轻，其年龄在44亿年左右。相似的，分析阿波罗任务带回来的月壤可知，月球上最古老的岩石可追溯到46亿年前。

月球上的陨石坑（图源：Tomekbudujedomek/Moment via Getty Images）

虽然研究放射性元素是确定行星年龄的一个很强大的方法，但是它通常要求手头中有点石头。一般天文学家只能研究行星的一张照片。天文学家一般通过数陨石坑的方式确定岩石行星的年龄，年老的表面比年轻的表面有着更多的陨石坑。但是，水，风，宇宙射线和火山喷发出的岩浆导致陨石坑被侵蚀，这可以轻易的抹去更早时期的撞击坑。

这些方法对于木星之类的气态巨行星并不起作用，因为它们的固体内核被外层的大气紧紧的包裹住了。但是天文学家仍然可以通过数气态巨行星卫星的撞击坑数量，或者研究被它们打散的特定陨石的分布从而确定他们的年龄。这与测量岩石行星的放射性元素含量或者数撞击坑的方法是一致的。

根据现有的技术的局限性，我们目前还不能直接测量系外行星的年龄。

通过直接成像法发现的系外行星，可以看到它在望远镜中只是一个点（图源：space.com）

这些估计有多准确？

我们所在的太阳系就提供了一个最好的准确性检查，因为天文学家可以通过比较来自地球，月球或陨石样本中放射性元素的含量和通过星震学得出的太阳的年龄，二者的结果十分契合。

一般认为，像昴星团和半人马座欧米伽星团之类的星团内的恒星是大约在同一时间产生的，所以这些星团中个别恒星的年龄估计应该相同。在某些恒星的大气中，天文学家可以检测到像铀之类的放射性元素——一种会在岩石和土壤中发现的重元素。这些放射性元素已经被其他方法用来推算年龄了。天文学家认为行星的与它们绕转的恒星年龄相近，所以改进估算恒星年龄的方法对于研究行星的年龄也有帮助。通过研究一些微妙的线索，我们可以得出围绕主序星公转的系外行星年龄的一个大概的范围。

BY:Adam Burgasser

FY: Chen Li

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