Science:“慵懒”的太阳——新研究发现太阳比其它类太阳恒星更不活跃

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太阳活动水平代表了太阳输出磁场能量的变化,也代表了太阳对地球/行星系统的影响力,探究太阳活动水平的演化,是理解太阳系各行星空间圈层演化的重要一环。由于太阳演化本身观测资料和地球保存的资料有限,我们最多可以获得其在全新世的演化,对于更长时间尺度上的演化,只能借助于其它类太阳恒星来推演。然而,目前对太阳活动水平与类太阳恒星活动水平是否相似一直存在争议。

恒星的自转周期与其磁活动密切相关。之前的类太阳恒星活动性研究并没有要求其自转周期接近太阳自转周期,这很可能会影响研究结果。最近,开普勒太空望远镜的观测数据为我们提供了成千上万颗恒星的自转周期信息(Reinhold et al. 2013; McQuillan et al. 2014),这为加入恒星自转周期限定参数提供了契机。德国马普太阳系研究所Reinhold et al.(2020)在对比太阳和类太阳恒星活动水平时加入了自转周期的限制条件,结果发现太阳的活动水平比同类型恒星的活动水平要弱。

开普勒太空望远镜对天鹅座和天琴座星座区域的星空有持续4年之久的高质量观测数据,这些数据为研究恒星活动提供了很好的机会。基于开普勒太空望远镜观测到的恒星,Reinhold et al. (2020)采用了34030颗具有确定的自转周期的恒星样本和99000颗未探测到自转周期的恒星样本。作者按照是否探测到确定的自转周期将恒星样本分为“有明确周期”恒星样本和“无明确周期”恒星样本。分别从“有明确周期”恒星样本和“无明确周期”恒星样本中挑选出有效温度Teff、表面重力log g与太阳接近的恒星样本。对于“有明确周期”恒星样本,将自转周期限定在20至30天(太阳:24.47天)。进一步基于盖亚飞船(Gaia spacecraft)的天体测量数据构建的赫罗图,限定了恒星的年龄和金属丰度[Fe/H](图1黑色实线和虚线之间)。最终经过所有判据挑选出369颗具有明确自转周期的类太阳恒星(图1A中深蓝色点)和2529颗未探测到明确自转周期的伪太阳恒星(图1B中深蓝色点)。作者将“有明确周期”恒星样本称之为类太阳(solar-like)恒星,“无明确周期”恒星样本称之为赝太阳(pseudo-solar)恒星。

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图1 恒星样本的赫罗图。(A)和(B)中深蓝色点分别标示了用于本研究的周期性恒星样本和非周期性恒星样本在赫罗图的位置(Reinhold et al., 2020)

黑子是表征恒星活动的重要参量,它在恒星表面分布不均,会导致恒星测光光度随自转而发生变化。黑子数量和分布的变化可改变恒星的光变幅度,因此恒星的光度变化可以表征恒星活动,光度变化振幅越大,代表恒星活跃程度越高。

作者采用光变曲线的95%分位和5%分位的差值Rvar来表征太阳和所选恒星的光度变化幅度。研究表明,类太阳恒星光度的变化幅度比太阳更高(图2),多数类太阳恒星的光度变化幅度(图3蓝色)远高于太阳过去140年的最大值(图3绿色),即大多数接近太阳自转周期的类太阳恒星比太阳更活跃。太阳与活动较低的恒星有相似的Rvar分布,而这些活动较低的恒星主要来自于那些没有明确探测到自转周期的赝太阳恒星。从这个角度来看,如果用开普勒望远镜来观测太阳,那么太阳很可能会被归类为赝太阳恒星。

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图2 太阳和三颗具有明确自转周期的恒星的光变曲线。(A)橙色实线标示太阳光度最大变化范围;(B-D)红色实线和红色虚线分别标示修正前和修正后(修正对恒星有效温度、自转速度、金属丰度等基本参数的依赖)的Rvar(Reinhold et al., 2020)

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图3 太阳和恒星光变幅度分布。浅绿色标示太阳的结果,深蓝色标示周期性恒星样本修正后的结果,黑色标示综合恒星样本(有明确周期恒星样本+无明确周期恒星样本)的结果。黄色线是用对综合恒星样本拟合结果(Reinhold et al., 2020)

关于为什么太阳的活动性弱于同类型的恒星,作者提出了两种可能的原因:(1)类太阳恒星与赝太阳恒星和太阳之间可能存在目前无法认知的差异。例如:由于太阳内部较差自转的改变,太阳发电机可能正在过渡到较低的活动状态(Metcalfe et al. 2016, 2017)。依据这一解释,类太阳恒星具有更高的活动性,而伪太阳恒星可能正在向低活动期转变或正处在低活动期。(2)综合样本(有明确周期恒星样本+无明确周期恒星样本)代表了太阳所有可能呈现的情况。在这种情况下,测量到的太阳活动分布之所以与类太阳恒星不同,只是因为太阳在过去140年里没有表现出其全部的活动范围。但基于宇宙同位素重建的9000多年的太阳活动数据表明,太阳活动并没有比过去140年更高。这可能是因为太阳在大于9000年尺度上在高活动和低活动之间交替。

目前的分析结果还无法回答这一问题。值得期待的是,凌星系外行星巡天卫星(Transiting Exoplanet Survey Satellite,TESS)和未来的行星凌星和恒星振荡(Planetary Transits and Oscillations of stars,PLATO)空间任务将提供大量的恒星样本(Santos and Mathur, 2020),虽然这些恒星样本数据是一定时间段内的观测结果,难以直接获得恒星活动水平长期演化的准确描述,但这些任务可以将恒星样本扩展到更亮的恒星,从而可以用地面望远镜对所观测到的恒星进行长期追踪,并获得更多恒星样本的长时间观测资料。未来太空望远镜与地面望远镜的结合,或许会帮助我们回答这一问题。

【致谢:感谢中科院国家天文台贺晗研究员和德国马普太阳系研究所杨丹博士的宝贵修改建议。】

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主要参考文献

McQuillan A, Mazeh T, Aigrain S. Rotationperiods of 34,030 Kepler main-sequence stars: the full autocorrelationsample[J]. The Astrophysical Journal Supplement Series, 2014, 211(2): 24.

Metcalfe T S, Egeland R, Van Saders J. Stellar evidence that thesolar dynamo may be in transition[J]. The Astrophysical Journal Letters, 2016,826(1): L2.

Metcalfe T S, van Saders J. Magnetic evolution and the disappearanceof sun-like activity cycles[J]. Solar Physics, 2017, 292(9): 126.

Reinhold T, Reiners A, Basri G. Rotation and differential rotationof active Kepler stars[J]. Astronomy & Astrophysics, 2013, 560: A4.

Reinhold T, Shapiro A I, Solanki S K, et al. The Sun is less activethan other solar-like stars[J]. Science, 2020, 368(6490): 518-521.

Santos ? R G, Mathur S. What future awaits the Sun?[J]. Science, 2020,368(6490): 466-467.

(撰稿:闫丽梅/地星室)

校对:张腾飞

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投稿时间:2020-11-17  最后更新:2020-11-17

标签:恒星   实线   太阳   活动性   光度   深蓝色   望远镜   慵懒   样本   周期   活跃   水平

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