点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:顶着“煤灰”状大气的碳星
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

顶着“煤灰”状大气的碳星

来源:光明网2021-05-06 11:29

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  碳星是个啥?

  1869年,人们发现了第一颗碳星G77-61。与普通恒星不同,它们的大气中,碳比氧多。碳星大气中,碳与氧结合形成一氧化碳CO,多余的碳则形成C2,CN和CH等化合物。因此,与其它恒星相比,碳星光谱具有非常明显的特征,即有很强的C2,CN和CH等分子带。

顶着“煤灰”状大气的碳星

图1. 想象的碳星图像(图源:网络)

  在G77-61这颗星发现之前,人们一直认为碳星是处于渐近巨星支(AGB)阶段的恒星,它们大气中的碳,通过AGB阶段的第三次挖掘过程从恒星内部被“挖掘”到大气中。这种解释被称作传统的碳星产生机制,通过这种机制产生的碳星被称为“内因碳星”。

  1986年,迪尔伯恩等人发现G77-61其实是一颗双星,它有一颗冷的光学不可见的白矮星伴星。天文学家认为G77-61大气中的碳,是从它的白矮星伴星吸积过来的,当时伴星还处于热脉冲(TP-AGB)阶段。这种双星理论被称为是非传统的碳星产生机制,通过这种机制产生的碳星被称为“外因碳星”。

  碳星家族

  1993年,基南提出了摩根-基南(MK)分类系统,他根据光谱特征将碳星分为7类,这种分类方法在后续的中/低分辨光谱的分类中得到了广泛的应用。1996年,伯恩鲍姆等人改进了MK分类系统,将碳星分为C-H、C-R、C-J、C-N和Ba星五种。

  C-H星被认为是温度较高的光谱型从G到K的普通巨星,它们是星族二恒星,年老且金属元素含量低。通常来说,C-H星的运动速度较快,运动学性质显示它们位于银河系晕中。利用视向速度巡天,人们发现C-H是双星,它们有一颗致密的白矮星伴星,质量转移是它们表面大气碳增加的原因,因此C-H是“外因”碳星。在C-H星的光谱中,最显著的特征是4340 Å 附近有很强的CH分子带,如图2上图中红色部分所示。

  Ba星是比德尔曼和基南于1951年首次发现,它们是一类特殊的红巨星,光谱型大致从G8到K2。在Ba星的光谱中,有很强的s-过程元素谱线,比如4554 Å和6496Å的Ba II线以及4077 Å的Sr II线,如图2的下图红色部分所示。

顶着“煤灰”状大气的碳星  

图2. 郭守敬望远镜LAMOST中发现的C-H星和Ba星(图源:作者)

  像Ba和Sr这种比Fe重的元素,是AGB阶段恒星内部通过慢中子俘获过程(s-过程)产生的,而Ba星是还未演化到AGB阶段的红巨星,它们还无法产生这些重元素。

  1980年, 麦克卢尔等人通过监测视向速度变化,发现Ba星实际上也是双星,它们大气中的碳和重元素实际上是通过质量传递从一个AGB伴星上吸积过来,因此与C-H星一样,Ba星也是“外因”碳星。

  除了少量早型C-H星,C-R星是最热的碳星,它们的起源目前尚无定论。人们一直认为C-R星是银河系厚盘上的单星,但是它们比AGB阶段恒星更低的光度和更高的有效温度,使得它们大气中富裕的碳不太可能是AGB阶段第三次挖掘过程产生的。

  后续的研究发现,C-R星可能曾经是双星,但是主星和伴星之间的距离使得它们无法演化到巨星和AGB阶段就合并为一颗单星,合并过程中恒星内部氦闪产生的碳被混合到恒星的表面。因此,与C-H和Ba星一样,C-R星也是“外因”碳星。在C-R星的光谱中,最显著特征是有很强的CaI(4226Å)线,如图3上图中红色部分所示。

  到目前为止,C-N星的起源研究的最为清楚,它们是处于AGB演化阶段的恒星,大气中的碳是AGB阶段第三次挖掘过程从恒星内部“挖掘”到表面的。因此,C-N星是“内因”碳星。在C-N星的光谱中,最大的特征是波长小于4400 Å时,流量很快衰减至消失,如图3下图红色部分所示。

顶着“煤灰”状大气的碳星

图3. 郭守敬望远镜LAMOST发现的C-R星和C-N星(图源:作者)

  C-J星这个名字是布依格1954年第一次提出的,与C-R类似,C-J星的确切演化阶段和性质尚不清楚。与AGB星不同,C-J星的大气中并没有表现出s-过程元素增加,因此它们很可能不是处于AGB演化阶段的“内因”碳星。

  有研究显示,C-J星和C-R星大气中的碳可能产生于相同的机制,但目前尚未发现这两类星之间的联系,因此尚不能确定C-J星是否是冷却和演化后的C-R星。在C-J星的光谱中,最大的特征是有强的碳同位素分子带,如13C12C13C14N,图4中绿色部分展示了两个碳同位素分子带的位置。

顶着“煤灰”状大气的碳星

图4. 郭守敬望远镜LAMOST发现的C-J星(图源:作者)

  未来可期

  银河系数以千亿计的恒星中,碳星是非常稀少且重要的研究对象,它们可以用来研究元素核合成过程、银河系化学演化过程以及确定星团或矮星系的距离等。

  从上世纪70年代到2000年初,受光谱观测能力所限,天文学家历经约30年才发现6000多颗碳星。那个年代,大规模光谱巡天尚未开展,短时间内获得大量光谱数据较为困难。不过,彼时人们可以同时对很多目标进行“拍照”观测(即测光观测),测光数据量更大且相对更容易获得。因此,人们首先使用“拍照”数据(即测光数据)初步筛选出碳星候选体,然后对它们进行后续光谱观测以证认碳星。

  郭守敬望远镜(LAMOST),坐落于燕山深处的承德市兴隆县,是我国天文学家自主研发的大规模光谱巡天望远镜。它能够同时观测4000个目标,是目前世界上光谱获取率最高的望远镜。到目前为止,LAMOST已获得超过1000万恒星的光谱数据。

顶着“煤灰”状大气的碳星

图5:位于河北省兴隆县的郭守敬望远镜LAMOST(图源:于海童)

  国内研究人员曾利用LAMOST四年的观测数据发现约3000颗碳星,据此推算,使用LAMOST数据,8年左右就能完成前人30年才能完成的碳星搜寻工作,将碳星样本积累的时间大约缩短至原来的四分之一,为后续深入的研究节约了时间,并大幅度推动相关领域的研究进展。

  目前,大规模天体测量巡天(测量天体距离和位置等)和时域巡天(研究天体如何随时间变化)都已展开,比如欧洲航天局的Gaia卫星和美国国家航空局的TESS望远镜。未来,LAMOST与这些巡天数据的结合,将帮助天文学家对碳星展开更全面而细致的研究,例如每种碳星的星族、运动学、光变性质甚至起源等。

顶着“煤灰”状大气的碳星

图6. 欧洲航天局的盖亚空间望远镜(GAIA)(图源:网络)

  与前辈天文学家相比,我们正身处天文观测技术和设备快速发展的时代,同时也迎来了天文学蓬勃发展的历史阶段。值此重要时刻,笔者深感,吾辈唯有更加努力地工作,才能在历史的潮流中蹚出属于中国天文学发展的道路。

  最后,感谢这个伟大的时代,也致敬每一个正在奋斗的我们,愿中国天文学事业更上一层楼!

  作者简介:李荫碧,中国科学院国家天文台副研究员,主要从事碳星、高速星及海量光谱分析等领域研究。

  文稿编辑:赵宇豪

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 习近平抵达阿斯塔纳出席第二届中国—中亚峰会

  • 科学报国正当时|从日常用品到尖端科技,高分子材料如何改变世界?

独家策划

推荐阅读
水利部近日印发《关于积极探索和规范推进黄河流域跨省区用水权交易的意见》,对当前和今后一个时期黄河流域跨省区用水权交易作出总体安排和部署。
2025-06-16 09:55
可仅通过一个人的呼吸模式识别其身份,准确率高达96.8%。不仅如此,鼻部呼吸的这些“指纹”还能揭示个体的身体与心理健康状况。
2025-06-16 09:52
2023年5月,依托中国科学院高能物理研究所建设的“文物领域核技术应用与装备国家文物局重点科研基地”正式获批。
2025-06-16 09:50
6月14日,在中核集团秦山核电内,经重水堆辐照过后的钇-90玻璃微球顺利出堆,经检测,该批钇-90玻璃微球比活度等参数满足设计需求。
2025-06-16 09:50
新农人之“新”,不仅是身份上的“新来”之意,更在于他们的技能、理念、思维之新。
2025-06-16 09:49
2025年3月,国家重大科技基础设施——子午工程二期正式通过验收,建成了国际上综合实力最强的空间天气地基区域监测网络。
2025-06-13 09:45
前不久,一场人形机器人格斗擂台赛引发了全球关注。
2025-06-13 09:44
系外行星大气研究对理解行星形成、演化和宜居性具有重要意义。
2025-06-13 09:38
地磁暴,是由太阳表面活动引起的地球磁场全球性剧烈扰动现象。据中国气象局国家空间天气监测预警中心消息,受5月31日太阳爆发活动影响,北京时间6月1日14时至2日14时,先后出现了6小时特大地磁暴。
2025-06-13 09:37
中外科学家团队在广东省肇庆市怀集县取得四足类足迹的重要发现,首次记录了华南白垩纪地层的哺乳形类及恐龙足迹组合。
2025-06-13 09:35
“如果你是一名文科生,将有机会学习数学和计算机,将来可能成为人工智能方面的研究生”,这是不久前,复旦大学教育教学改革发布会上传出的消息。
2025-06-12 18:17
一种新的神经细胞网络是造成这一现象的原因。
2025-06-12 09:52
这一机器人仿生手灵感源于人类手部的生物智慧。
2025-06-12 09:46
冬虫夏草学名叫“中华线虫草”,其实是一种寄生蝙蝠蛾幼虫的真菌。线虫草在白垩纪就已经寄生蚂蚁的基干类群,学会了“操控蚂蚁”,而这类寄生蚂蚁的线虫草,正是如今最繁盛的一支。
2025-06-12 09:43
来自NASA的3位科学家分析了2020—2024年间坠落地球的523颗“星链”卫星在不同太阳活动水平的轨道变化。美国《商业内幕》网站报道称,很多科学家担心“星链”卫星可能会以人们尚不了解的方式破坏大气层。
2025-06-12 09:40
天气越来越热,我们中医院急诊西北角的药膳坊门前,同样“火热”。现在,“中医药+餐饮”在很多地方越来越火,药膳面包等产品吸引了很多消费者,也带动了更多人了解中医药知识和养生理念。
2025-06-12 09:37
中毒、缺氧、病原体侵袭……这些突如其来的“变故”会诱发生命应激反应。
2025-06-11 09:27
传统人工智能研究聚焦于物体识别准确率,却鲜少探讨模型是否真正“理解”物体含义。
2025-06-11 09:26
为满足小农户的粮食干燥需求,该所联合国内多家单位研制出智能化可移动牵引式烘干机。
2025-06-11 09:25
近日,国家发展改革委、国家能源局发布《关于有序推动绿电直连发展有关事项的通知》,提出以满足企业绿色用能需求、提升新能源就近就地消纳水平为目标,建设绿电直连项目。
2025-06-11 09:23
加载更多