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

  • 走进浙江宁波余姚井头山遗址

  • 浙江绍兴:年宵花卉迎新年

独家策划

推荐阅读
昆虫性信息素相当于昆虫之间的“气味语言”,具有靶向性强、用量少、对环境友好等优点,是当前绿色植保的重要策略之一。
2025-12-24 10:05
作为中国科学院“十四五”重大项目之一,2022年7月27日,由中国科学院力学研究所(以下简称力学所)抓总研制的“力箭一号”火箭首飞成功。
2025-12-24 09:59
中国科学技术大学(以下简称中国科大)教授潘建伟、朱晓波、彭承志和副教授陈福升等基于超导量子处理器“祖冲之3.2号”,在码距为7的表面码上实现了低于纠错阈值的量子纠错,演示了逻辑错误率随码距增加而显著下降。
2025-12-24 09:58
为加快推进知识产权强国建设,日前,国家知识产权局会同有关部门编制完成《知识产权强国建设发展报告(2025年)》。
2025-12-24 09:57
国家能源局23日发布11月全国电动汽车充电设施数据。
2025-12-24 09:57
我国自主设计建造的全球首制甲醇双燃料动力智能超大型油轮“凯拓”轮22日在辽宁大连成功交付。
2025-12-23 09:54
中国科学院大连化学物理研究所副研究员方光宗、研究员潘秀莲团队在乙炔氢氯化制氯乙烯研究领域取得新进展。
2025-12-23 09:53
《自然》杂志网站12月18日刊发文章,展望了2026年值得关注的科学事件,涉及人工智能(AI)、基因编辑和太空探索等多个领域。中国计划于2026年发射嫦娥七号探测器,目标是在布满岩石与陨石坑、着陆难度极大的月球南极附近着陆。
2025-12-23 09:52
9月30日,中国科学院上海应用物理研究所原所长徐洪杰去世半个月后,一场以追思和战略研讨为主题的“务虚会”在研究所召开。
2025-12-23 09:47
种子是“农业芯片”。精准设计育种这盘大棋,在科技工作者手中,正下得风生水起。
2025-12-23 03:05
12月17日,《自然》发布2025年值得关注的七大暖心科学故事,从基因编辑的多项突破,到传染病的快速防控,再到政策层面的重大胜利,都让人们为这一年感到高兴。
2025-12-22 09:57
记者21日从中国科学院大连化学物理研究所获悉,该所研究员李先锋团队在溴基多电子转移液流电池新体系研究方面取得新进展。
2025-12-22 09:56
微波加热,是维持“人造太阳”——全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)上亿摄氏度高温的核心技术之一。
2025-12-22 09:52
12月19日,《科学》在线发表了这项由中国科学家领衔的重要研究成果。
2025-12-22 09:50
记者了解到,作为农业科技“国家队”,近年来,该院依托西部中心,组建了高品质棉花生产模式、作物生物安全与防控等16支创新团队,把百余项技术成果转化运用到新疆这片热土。
2025-12-22 02:45
由我国多家研发单位联合完成的两项降糖减重药物Ⅲ期临床研究成果,北京时间18日在线发表于国际科学顶级学术期刊《自然》(《Nature》)。
2025-12-19 09:51
一个国际团队12月17日发表于《自然》的研究显示,70岁以上人群中,近1/10患有阿尔茨海默病。
2025-12-19 09:51
近日,“大国重器”中国天眼(FAST)又传来好消息。截至2025年11月5日,它已发现脉冲星1170颗,远超同期其他望远镜发现总数。
2025-12-19 09:48
国家自然科学基金重大非共识项目日前正式启动试点,首批遴选出3项建议资助项目,支持科研人员在国际科技竞争“无人区”开辟研究方向。
2025-12-19 09:47
《物理世界》日前公布“2025年度十大科学突破”榜单,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心张广宇团队主导的“首例二维金属制备”成果成功入选。
2025-12-19 09:45
加载更多