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

  • 中国北方首个国家级新区发展联动世界

  • 重庆永川:积极推进灾后恢复

独家策划

推荐阅读
中国卫星导航定位协会近日发布的《2026中国北斗时空产业发展白皮书》显示,2025年,北斗时空产业总产值达到13323亿元。北斗核心产品持续迭代升级,芯片、模组等基础产品小型化、低功耗、高精度水平不断提升,国内主流手机北斗定位精度持续优化,为产业规模化应用奠定了坚实的技术基础。
2026-05-27 09:36
5月27日0时16分,我国在文昌航天发射场使用长征七号改运载火箭,成功将通信技术试验卫星二十四号发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务取得圆满成功。
2026-05-27 09:26
“十五五”规划纲要提出,投资于物和投资于人紧密结合。
2026-05-27 03:00
大屏幕上的数字快速跳动。十几轮激烈竞逐后,最终定格在212.4万元,成交!这是日前记者在湖北碳排放权交易中心电子竞价大厅看到的一幕。
2026-05-27 03:10
检测AI率,目的是维护学术研究的严肃性公平性,督促学生遵守学术规范、产出原创成果。然而,在现实操作中,一系列困扰学生乃至老师、学校的问题接连显露。
2026-05-27 02:50
位于北京大兴区的长子营湿地公园,草木葱茏,水面澄澈,鸟鸣声清脆悦耳,勾勒出一幅生机盎然的生态画卷。
2026-05-26 09:24
我国虽然核电铀燃料对外依存度高,但钍资源储量丰富,目前探明钍储量位居世界第二。以钍作核燃料不仅符合我国资源禀赋,甚至可能改变未来全球能源格局。
2026-05-26 09:18
我国已累计发布1750项食品安全标准,涉及2万多个指标,覆盖340多种食品类别,持续完善科学严谨、好用管用的食品安全标准体系。
2026-05-26 09:11
入汛以来,全国平均降水量达110.1毫米,较常年同期偏多18.6%。从空间分布来看,我国南北方均出现降水量较常年同期明显偏多区域。
2026-05-26 09:11
5月30日将迎来第十个全国科技工作者日,中国科协将联合相关部委集中表彰第四届全国创新争先奖获奖团队和个人,发布2026年“最美科技工作者”年度人物。
2026-05-26 09:09
到今年5月21日,“澳门科学一号”(下称“澳科一号”)卫星成功发射三周年。卫星上天不是终点,3年来,“澳科一号”团队研发未曾停歇,在相关科学与技术领域取得多项重大突破。
2026-05-25 10:19
近来,词元(Token)一词持续刷屏科技圈、经济圈,而让它“破圈”的,是一组极具冲击力的数据——今年3月,我国日均词元调用量突破140万亿。从2024年初的1000亿,到2025年底的100万亿,再到突破140万亿,两年间增长超千倍。
2026-05-25 10:16
《中国生物物种名录2026版》封面。与去年的名录相比,2026版名录中,动物界新增3380个物种和477个种下单元;植物界新增431个物种,减少2个种下单元;真菌界新增3114个物种,减少1246个种下单元。
2026-05-25 10:02
平面单位距离问题探讨的是,在无限大的纸上,最多可以画出多少条等长的线段来连接纸上的点。Erdos证明了越来越大的网格如何能够包含大量距离相等的点,并且这个网格会以比点数增长略快的速度无限延伸。
2026-05-25 10:02
“嘀——”一声轻响,广东深圳北站中心公园一只橙白相间的“铁柜”柜顶绿灯亮起。”  胡流华告诉记者,2023年他刚接触低空经济时,无人机配送还只是个概念。胡流华指着监控大屏细细讲解:“瞧,每个光点就是一架无人机。
2026-05-25 10:00
今年秋季,华为将发布新的麒麟手机芯片,完整采用逻辑折叠技术,大幅提升相关性能。
2026-05-25 09:38
5月22日上午,在2026年文化强国建设高峰论坛“人工智能与媒体变革”分论坛上,中宣部副部长、国务院新闻办公室主任莫高义发表主旨演讲。
2026-05-22 13:22
中国科学技术大学何俊峰教授研究组与南方科技大学薛其坤院士、陈卓昱副教授研究组合作,在新型镍基高温超导的机理研究中取得重大突破。
2026-05-22 10:19
近年来,生产环节的技术革新,推动缝纫线产业转型向着上游拓展。
2026-05-22 10:19
在系列政策牵引下,学科专业动态调整正日趋常态化、精细化与特色化。
2026-05-22 10:14
加载更多