令人困惑的恒星脉动：在神秘的脉动星中发现规律的节奏

天文学家借助NASA的过渡系外行星调查卫星（TESS）的数据，在数十颗快速旋转的年轻恒星中发现了难以捉摸的脉动模式。这项发现将彻底改变科学家研究这些恒星的年龄，大小和组成等细节的能力，这些恒星都是以原型命名的明亮恒星Delta Scuti之类的所有成员。

悉尼大学天文学教授蒂姆·贝丁（Tim Bedding）表示：“德尔塔库奇（Star Scuti）的恒星显然以有趣的方式发出脉动，但到目前为止，这些脉动的模式尚无定论。”用音乐作比喻，许多星星沿简单的和弦脉动，但达科奇三角洲的星星却很复杂，音符似乎杂乱无章。TESS向我们展示了并非所有人都适用。

一份由贝丁领导的描述发现的论文发表在2020年5月14日的《自然》杂志上。

观看Delta Scuti星星的脉动！在此图示中，当内部频率不同的内部声波引起恒星部分膨胀和收缩时，恒星的亮度会发生变化。在一种模式中，整个恒星膨胀和收缩，而在第二种模式中，相对的半球膨胀并收缩而失去同步。实际上，一颗恒星表现出许多脉动模式，可以告诉天文学家有关其年龄，组成和内部结构的信息。天文学家观察到的确切光变化还取决于恒星的自旋轴如何朝向我们倾斜。三角洲Scuti恒星旋转得如此之快，它们扁平化成椭圆形，这使这些信号变得混乱，使它们更难以解码。现在，多亏了NASA的“过渡系外行星调查卫星”，天文学家才对其中的一些进行了解密。学分：美国宇航局的戈达德太空飞行中心

地质学家研究地震中的地震波时，回响在传播过程中改变了速度和方向，从而揭示了地球的内部结构。天文学家运用相同的原理通过脉动研究恒星内部，这是一个称为星震学的领域。

声波以随深度变化的速度在恒星内部传播，它们都在恒星表面合并为脉动模式。天文学家可以将这些模式检测为亮度的微小波动，并用它们来确定恒星的年龄，温度，成分，内部结构和其他特性。

Delta Scuti恒星的质量是太阳质量的1.5到2.5倍。它们以Delta Scuti命名，Delta Scuti是人眼在南部Scutum星座中可见的一颗恒星，该恒星在1900年首次被确定为变星。自那时以来，天文学家已经发现了成千上万的类似德尔塔·库奇（Delta Scuti）的人，其中许多人都使用了NASA开普勒太空望远镜，这是另一项从2009年到2018年进行的行星搜寻任务。

围绕一颗恒星内部反弹的声波会导致其膨胀和收缩，从而导致可检测到的亮度变化。该动画描绘了一种类型的Delta Scuti脉动（称为径向模式），它是由在恒星核心和表面之间传播的波（蓝色箭头）驱动的。实际上，一颗恒星可能会以许多不同的模式脉动，从而形成复杂的模式，使科学家们能够了解其内部。学分：美国宇航局的戈达德太空飞行中心

但是，科学家在解释三角洲Scuti脉动时遇到了麻烦。这些恒星通常每天旋转一到两次，至少比太阳快十二倍。快速的自转使恒星的两极变平，使它们的脉动图变得混乱，使它们变得更加复杂且难以破译。

为了确定Delta Scuti恒星的混沌脉动中是否存在秩序，天文学家需要快速采样多次观测大量恒星。TESS一次监视大片天空连续27天，并使用其四台摄像机每30分钟拍摄一张完整图像。这种观测策略使TESS能够跟踪行星在其恒星前通过而引起的恒星亮度变化，这是其主要任务，但半小时的曝光时间太长，无法捕捉到脉动更快的三角洲Scuti恒星的模式。这些变化可能会在几分钟内发生。

但是TESS还每两分钟捕获几千个预选恒星的快照，其中包括一些Delta Scuti恒星。当Bedding和他的同事开始对测量结果进行分类时，他们发现了具有规则脉动模式的Delta Scuti星的子集。一旦他们知道要寻找什么，他们就从开普勒的数据中搜索其他示例，该示例使用了类似的观察策略。他们还使用地面望远镜进行了后续观察，其中包括在W.M.夏威夷的凯克天文台和全球Las Cumbres天文台网络中的两个。他们总共鉴定出了60颗清晰图案的Delta Scuti星。

听到HD 31901的快速跳动，这是南部天秤座星座中的三角洲Scuti星。声音是在27天中观察到的55个脉动模式TESS的结果，加速了54,000次。长期以来，德尔塔·库蒂（Delta Scuti）恒星以其明显的随机脉动而闻名，但是TESS数据显示，像HD 31901这样的恒星具有更规则的模式。学分：美国国家航空航天局（NASA）的戈达德太空飞行中心和悉尼大学的西蒙·墨菲（Simon Murphy）

“这确实是一个突破。现在我们对这些恒星产生了一系列规则的脉动，我们可以理解它们并与模型进行比较。”合著者，悉尼大学的博士后西蒙·墨菲（Simon Murphy）说。“这将使我们能够以前所未有的方式使用星震学来测量这些恒星。但这也向我们表明，这只是我们对达美斯库蒂（Delta Scuti）星的了解的一块垫脚石。”

表现良好的Delta Scuti组的脉动可分为两大类，这两者都是由恒星中存储和释放的能量引起的。当整个恒星对称地膨胀和收缩时，会发生一些变化。其他发生在相反的半球交替膨胀和收缩。贝丁的研究小组通过研究每颗恒星的亮度波动来推断出这种变化。

数据已经帮助解决了一颗名为HD 31901的恒星年龄的争论，该恒星是最近发现的绕我们银河系运行的恒星流的成员。科学家根据他们怀疑属于同一集团的红色巨人的年龄，将整体流的年龄定为10亿年。根据恒星流其他成员的轮换周期，后来的估计表明年龄只有大约1.2亿年。Beddding的小组使用TESS观测结果创建了支持年轻年龄的HD 31901的星震模型。

康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学天文学教授萨尔巴尼·巴苏（Sarbani Basu）说：“三角洲Scuti恒星由于其复杂的振荡而成为令人沮丧的目标，因此这是一个非常令人兴奋的发现。” 。“能够找到简单的模式并识别振荡模式正在改变游戏规则。由于这部分恒星可以进行正常的地震分析，因此我们最终将能够正确地表征它们。”

研究小组认为，这组60颗恒星具有清晰的模式，因为它们比其他达奇·库蒂（Delta Scuti）恒星年轻，直到最近才决定通过核聚变产生所有能量。脉动在刚起伏的恒星中发生得更快。随着恒星年龄的增长，脉动的频率变慢，并且它们与其他信号混杂在一起。

另一个因素可能是TESS的视角。理论计算表明，旋转恒星面对我们而不是赤道时，旋转星的脉动模式应该更简单。团队的TESS数据集包括大约1,000颗Delta Scuti星，这意味着，其中一些偶然地必须在极地附近观察。

随着TESS开始每10分钟拍摄一次完整的图像，而不是7月的每半小时，科学家将继续开发他们的模型。贝丁说，新的观测策略将有助于捕获更多斯库塔三角星的脉动。

“我们在设计TESS时就知道，除了发现许多令人兴奋的新系外行星外，卫星还将推进星震学领域，”位于剑桥的麻省理工学院卡夫里天体物理与空间研究所的TESS首席研究员乔治·里克尔（George Ricker）说。 。“任务已经找到了一颗仅在一侧脉动的新型恒星，并且发掘了有关知名恒星的新事实。当我们完成最初的两年任务并开始扩展任务时，我们期待着TESS将会做出的许多新的杰出发现。”

有关此发现的更多信息，请阅读：

参考：Timothy R. Bedding，Simon J. Murphy，Daniel R. Hey，Daniel Huber，Tanda Li，Barry Smalley，Dennis Stello，Timothy R. White，Warrick H撰写的“年轻的中等质量恒星中非常规则的高频脉动模式”鲍尔，威廉·卓别林，伊莎贝尔·科尔曼，吉姆·富勒，埃里克·盖多斯，丹尼尔·R·哈贝克，JJ·爱马仕，丹尼尔·霍尔德沃思，李刚，李亚光，安德鲁·W·曼，丹尼尔·里斯，桑杰·塞卡兰，俞Jie，维多利亚·安托西，克里斯托弗·伯格曼，蒂莫西·布朗，安德鲁·霍华德，迈克尔·J·爱尔兰，霍华德·艾萨克森，乔恩·詹金斯，汉斯·凯德森，柯蒂斯·麦库利，马库斯·拉布斯，亚当·D·雷恩斯，乔治·R。里克（Ricker），克里斯托弗·丁尼（Christopher G.Tinney）和罗兰·K·范德斯佩克（Roland K.Vanderspek），2020年5月13日，自然。
10.1038 / s41586-020-2226-8

TESS是由麻省理工学院在马萨诸塞州剑桥市领导和运营的一项NASA天体物理学探索者任务，由NASA的戈达德太空飞行中心进行管理。其他合作伙伴包括位于弗吉尼亚州福尔斯彻奇的诺斯罗普·格鲁曼公司；美国国家航空航天局位于加利福尼亚硅谷的艾姆斯研究中心；位于马萨诸塞州剑桥市的哈佛-史密森天体物理学中心；麻省理工学院的林肯实验室；和巴尔的摩的太空望远镜科学研究所。全世界有十多所大学，研究机构和天文台参加了这次任务。