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如何尋找太陽(yáng)的“兄弟姐妹”?這三個(gè)條件缺一不可!

發(fā)布時(shí)間:2024-07-06 16:56:22 來(lái)源:科普中國(guó) 字號(hào): [ 大 ] [ 中 ] [ 小 ]

今天是小暑,雖然還沒(méi)到一年中極熱的時(shí)候,但太陽(yáng)的“威力”已漸漸全面展現(xiàn)。炙熱的太陽(yáng)讓我們不由得想到“后羿射日”這個(gè)神話。古時(shí)有十個(gè)太陽(yáng),都是天帝的兒子,當(dāng)他們同時(shí)出現(xiàn)時(shí),高溫肆虐,禾苗草木皆被烤焦,民不聊生。堯派神射手后羿,射落九日拯救了萬(wàn)民。

雖然這只是個(gè)傳說(shuō),但是,你有沒(méi)有思考過(guò)一個(gè)問(wèn)題,太陽(yáng)真的有兄弟姐妹嗎?答案是肯定的,而且數(shù)量眾多,但是太陽(yáng)在很久以前就和它的兄弟姐妹分開(kāi)了,獨(dú)自游蕩在銀河系中。

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圖 1. 太陽(yáng)系的藝術(shù)圖(圖片來(lái)自ESA–Silicon Worlds)

01太陽(yáng)誕生記

46 億年前,太陽(yáng)系誕生在一片綿延數(shù)光年的星云中,這里充滿了氣體和塵埃,組成我們的所有物質(zhì)元素也都來(lái)自這里,包括我們體內(nèi)的碳、我們呼吸的氧,就像美國(guó)天文學(xué)家卡爾?薩根所說(shuō):我們都是由星塵構(gòu)成的。偶然的一個(gè)外力或者擾動(dòng),觸發(fā)了這片星云的引力不穩(wěn)定性,很多的團(tuán)塊開(kāi)始塌縮,核心慢慢吸積周圍的氣體,逐漸長(zhǎng)大,經(jīng)過(guò)上千萬(wàn)年的時(shí)間,終于在核心區(qū)域發(fā)生了氫的聚變,一顆顆恒星誕生了。其中那顆普通而又不平凡的恒星就是我們的太陽(yáng)。在這片星云中,可能誕生了上千顆恒星,它們都是太陽(yáng)的兄弟姐妹。新誕生的大質(zhì)量恒星,發(fā)出熾烈的光和星風(fēng),逐漸吹散了剩余的氣體和塵埃,留下了一個(gè)星團(tuán)。

太陽(yáng)和它的兄弟姐妹誕生之后,由于受到其他恒星的引力作用,還有銀河系的旋轉(zhuǎn)作用,經(jīng)過(guò)千百萬(wàn)年后,星團(tuán)變成了一個(gè)松散的團(tuán)體。又經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年,它們各自奔向不同的方向,漸行漸遠(yuǎn),散落在銀河系各處,遙遙相望。因此,我們現(xiàn)在銀河系所處的位置并不是太陽(yáng)誕生的地方,我們周圍最近的恒星也不是太陽(yáng)的兄弟姐妹。那么太陽(yáng)的老家在哪里?它的兄弟姐妹現(xiàn)在怎么樣了?在漫長(zhǎng)的幾十億年之后,我們能否在銀河系千億顆恒星中找到他們?

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圖2,詹姆斯.韋布望遠(yuǎn)鏡韋布望遠(yuǎn)鏡拍攝的蛇夫座星云的一角。星云中的亮點(diǎn)就是剛剛誕生的恒星。(圖片來(lái)自NASA, ESA, CSA, STScI, Klaus Pontoppidan (STScI), Alyssa Pagan (STScI),參看《去幾百光年外的宇宙“看展”?這臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡,繪出恒星“搖籃”的畫卷!》

02 恒星的“DNA”——元素比例

銀河系中有上千顆恒星,我們?cè)趺粗滥男┦翘?yáng)的兄弟姐妹呢?對(duì)于我們?nèi)祟惗裕?yàn)證親緣關(guān)系最可靠的方法是“DNA”檢測(cè)。誕生于同一片星云的恒星,它們的年齡相仿,而且化學(xué)元素的比例是一致的。天文學(xué)家通過(guò)測(cè)定恒星的元素比例,為每一顆恒星貼上一個(gè)化學(xué)標(biāo)簽,這個(gè)標(biāo)簽就是恒星的“DNA”(同上),可以確定不同恒星之間的親緣關(guān)系。

天文學(xué)家用這個(gè)方法,找到了很多和太陽(yáng)的元素比例很接近的恒星。其中在星團(tuán)M67中,大多數(shù)恒星都和太陽(yáng)有類似的元素比例,而且這個(gè)星團(tuán)的年齡在35~48億年之間,和太陽(yáng)的年齡接近。很多天文學(xué)家就推測(cè),太陽(yáng)是不是就是起源于M67星團(tuán)?在早年的時(shí)候從這個(gè)星團(tuán)脫離了。

僅僅依靠化學(xué)標(biāo)簽,還是存在很大的誤判概率。因?yàn)閷?duì)海量恒星的元素比例進(jìn)行統(tǒng)一測(cè)量,精度還不夠高。此外這個(gè)方法依賴兩個(gè)假設(shè),其一,星云中的元素分布是均勻的;其二,每一片星云的元素比例是獨(dú)一無(wú)二的。然而,這兩個(gè)假設(shè)并不是嚴(yán)格成立的。

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圖3,M67星團(tuán)。(圖片來(lái)自https://apod.nasa.gov/apod/ap070809.html,Credit & Copyright: Processing - Noel Carboni, Imaging - Greg Parker)

03 如何尋找太陽(yáng)的兄弟姐妹?

那么我們還有沒(méi)有別的方法幫助證認(rèn)M67星團(tuán)成員是不是太陽(yáng)的兄弟姐妹呢?銀河系中所有的恒星都在圍繞銀河系中心旋轉(zhuǎn),就像八大行星圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)。太陽(yáng)現(xiàn)在以每秒大約230千米的速度繞銀河系中心運(yùn)動(dòng),估計(jì)需要2.3億年繞一圈,自誕生之后已經(jīng)繞了20多圈,這取決于太陽(yáng)誕生的位置和遷移的路徑。我們知道太陽(yáng)相對(duì)于銀河系中心的運(yùn)動(dòng)速度和方向,再考慮銀河系的引力勢(shì),可以模擬太陽(yáng)過(guò)去20多圈的運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)然還要考慮其他天體對(duì)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響,這個(gè)模擬結(jié)果還有一些不確定性。

如果太陽(yáng)是從M67星團(tuán)“離家出走”的,那么它們的運(yùn)動(dòng)軌跡在過(guò)去幾十億年里,必然在某一時(shí)刻交匯在某一處,那就是太陽(yáng)離開(kāi)M67的時(shí)間和地點(diǎn),在此之前,太陽(yáng)和M67的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)該一致。最新的模擬結(jié)果顯示,在某些特定的條件下,比如M67和一個(gè)或者多個(gè)星云碰撞之后,太陽(yáng)才能逃離星團(tuán),到達(dá)現(xiàn)在的軌道,但是這種碰撞事件很可能會(huì)導(dǎo)致M67星團(tuán)的解體。那么M67到底是不是太陽(yáng)的母星團(tuán),還需要天文學(xué)家更多的研究。

總之,判斷一顆恒星是否是太陽(yáng)的兄弟姐妹,需要同時(shí)滿足下面三個(gè)條件,一是年齡和太陽(yáng)相仿;二是化學(xué)元素比例和太陽(yáng)一致;三是運(yùn)動(dòng)軌跡和太陽(yáng)在過(guò)去幾十億年里交匯在某處。

04 已經(jīng)找到的兄弟姐妹

結(jié)合恒星的年齡、化學(xué)標(biāo)簽和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征,天文學(xué)家確實(shí)找到了一些孤立的恒星,很可能是太陽(yáng)的兄弟姐妹。2014年發(fā)現(xiàn)了第一顆,編號(hào)為HD 162826的恒星,距離我們110光年,它比太陽(yáng)稍微大一些,直徑是太陽(yáng)的1.3倍,這顆恒星同時(shí)滿足上述三個(gè)條件。

2018年發(fā)現(xiàn)了第二顆,編號(hào)是HD 186302,距離我們185光年,但是后續(xù)更加細(xì)致的運(yùn)動(dòng)軌跡模擬發(fā)現(xiàn),它并不滿足第三個(gè)條件。2020年又發(fā)現(xiàn)一顆編號(hào)為2M19354742+4803549,距離我們大約1100光年,比太陽(yáng)要小一些,直徑是太陽(yáng)的0.8倍。但是在2022年,通過(guò)更精細(xì)的光譜觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)這顆恒星非常年輕,大約3600萬(wàn)年,所以它也不可能是太陽(yáng)的兄弟姐妹。

其他還有幾百顆候選體,也可能是太陽(yáng)的兄弟姐妹,只是現(xiàn)在的結(jié)果不確定性還很大,既不能肯定,也不能完全排除。上述三顆恒星是從數(shù)十萬(wàn)顆恒星的觀測(cè)數(shù)據(jù)中才挑選出來(lái)的,而且后續(xù)的研究還排除了兩個(gè),可見(jiàn)在銀河系的上千億顆恒星中,尋找太陽(yáng)的兄弟姐妹,如同大海撈針,非常困難。

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圖4. HD 162826(紅色圓圈標(biāo)記)所處的位置。(圖片來(lái)自:Tomruen/Creative Commons)

我們來(lái)自哪里?對(duì)于太陽(yáng)來(lái)說(shuō),這個(gè)問(wèn)題也還沒(méi)有答案。雖然太陽(yáng)是我們最熟悉的恒星,也是我們研究的最多的恒星,但是關(guān)于太陽(yáng)和整個(gè)太陽(yáng)系的起源,還有很多未解之謎。尋找太陽(yáng)的兄弟姐妹,將有助于解開(kāi)這些謎題,比如太陽(yáng)從哪里來(lái)?如何到達(dá)現(xiàn)在的位置?太陽(yáng)系早期的周圍環(huán)境是什么樣的?對(duì)太陽(yáng)系中行星的形成有什么影響?對(duì)于生命產(chǎn)生所需的環(huán)境有什么影響?

太陽(yáng)和它的兄弟姐妹是不可能再次團(tuán)聚了,但是希望有朝一日,我們能夠找到它們,給它們“拍”一張全家福。

參考資料:

1. Elemental Abundances of Solar Sibling Candidates - NASA/ADS (harvard.edu)

2. The AMBRE project: searching for the closest solar siblings - NASA/ADS (harvard.edu)

3. Searching for solar siblings in APOGEE and Gaia DR2 with N-body simulations - NASA/ADS (harvard.edu)

4. 2205.01112.pdf (arxiv.org)

作者:閆震 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員

出品:科普中國(guó)

監(jiān)制:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、中科數(shù)創(chuàng)(北京)數(shù)字傳媒有限公司

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