國家天文臺揭示恒星活動性與恒星結構演化內在聯系

近日，國家天文臺楊卉沁博士、劉繼峰研究員對于恒星活動性與恒星結構，恒星演化及恒星發電機制的關系提出了一整套完整全面的物理圖像和理論解釋。這對于恒星活動性領域乃至恒星的結構演化具有非常重要的意義。該項研究成果已被國際天文期刊《天體物理學報增刊》接收。

在過去40年里，對于恒星活動性與恒星結構和演化關系的理解取得了長足的進步，活動性—周期關系的發現就是其中的一個里程碑。它揭示了恒星的活動性與演化之間的直接聯系。然而，這其中仍然有許多重大的、根本性的問題亟需解決，比如，為什么在這個關系中有一個非常尖銳的活動性轉變?這個關系對于不同發電機制和質量的恒星意味著什么?

圖一：跨越整個赫羅圖的恒星耀發活動性。黑色點為20萬的Kepler背景星，彩色點為耀發星，耀發活動性從藍到紅逐漸變強

楊卉沁和劉繼峰的研究正是從這個關系出發，基于恒星的耀發活動性，提出一整套完整的行動方案，清晰解釋了恒星活動性與結構演化和發電機制的關系，以及其中的動態變化過程。

該研究提出了一個獨特的研究方法和分析視角，這相對于傳統的活動性方法有很多的優點。“由于Kepler計劃的展開，系統的恒星耀發研究成為了可能。它使我們可以展開耀發的統計研究，從而從耀發活動性的角度去審視現有的恒星活動性及結構演化理論。對于我們而言，抓住總體的物理圖像和分辨局部的重要物理參量都至關重要。”劉繼峰表示。

圖二：跨越整個活動圖的活動性—周期關系。恒星由光譜類型分類，分別為F，G，K，M型星。飽和區域和非飽和區域在晚型星是非常的清晰，但隨著溫度的增加而逐漸變得彌散，甚至活動性—周期關系在早型星幾乎消失

楊卉沁等人從超過20萬顆星的觀測樣本中，找到了超過3400顆耀發星并計算了他們的耀發活動性。這些星的類型從A型到M型，跨越了整個赫羅圖，他們的整體活動性圖像參見圖1。研究發現，活動性—周期關系在晚型星與前人的研究結果是一致的。然而當研究人員貫穿整個赫羅圖來考慮這個關系時，一個有趣的事實出現了。這個關系隨著恒星有效溫度的增加逐漸混合和彌散，直至在早型星的時候幾乎消失，這個動態的過程可參加圖2。

“一個非常有趣的問題是這個變化趨勢的背后原因是什么?因為在過去的研究中羅斯比數被認為是這個關系中唯一的變量，而這個變化并不與羅斯比數相關。”楊卉沁表示。

圖三：本研究提出的活動性—結構—演化關系示意圖，虛線表示C型星的活動性區域，實線表示I型星的活動性區域，I 和C的混合區域由星號填充表示，I型星對羅斯比數始終保持冪律關系，而M光譜型的C型星是快速自轉星并且對溫度不敏感。他們和I型星自然地分開在不同的區域，當溫度增加時，C型星和I型星的自轉周期開始混合，同時C型星的活動性對溫度開始變得敏感而下降，這兩個轉化造成活動性—周期關系的彌散和混合

而這個研究正是解釋了這個問題。它結合多個觀測事實和理論研究，并引入年齡—周期理論，提出了一整套的行動方案來說明這個動態變化過程和其物理實質，并解釋了背后的活動性與結構演化和發電機制的關系。其核心理論如下：C型和I星發電機制產生不同的活動性，C型發電機制依賴于恒星的有效溫度而不是周期，I型發電機制依賴于羅斯比數，當這兩種發電機制星是K和M型星時，他們有明確的不同的自轉周期，它們的活動性區域也就自然被分開。隨著溫度的增加，C型星的活動性逐漸對溫度敏感。同時其角動量的損失率也加快，從而在相同年齡下造成了更長的自轉周期。這兩種變化造成了這兩種星在活動性—周期圖上的逐漸混合，也即我們看到的動態變化過程。該理論的示意圖參加圖3。

“我們呈現出活動性—周期關系的整體圖像，它在赫羅圖上是一個動態變化的過程，而這個動態過程啟發我們重新去審視經典的活動性—周期關系表達式以及它們所對應的關系。”劉繼峰表示。楊卉沁和劉繼峰也最終提出反映物理本質和更大適用范圍的新的表達式。

本文審稿人高度評價了這項工作，認為這是人們對于恒星活動性，以及恒星結構演化的理解的一次重要進步，是具有創造性和根本性的工作。

該研究受到了國家自然科學基金的支持和美國NASA的Kepler計劃的數據支持。