如何揭示一顆遙遠恒星的面貌

蕾切爾·羅滕巴切爾

美國威爾遜山天文臺坐落于洛杉磯郊外的圣加布里埃爾山脈，人類有關宇宙探索的數次重大飛躍性發現都產生于此。1924年，埃德溫·哈勃在此證明了河外星系的存在，此后還發現了宇宙正在擴張的可靠證據?，F在，威爾遜山又迎來了另一個天文觀測上的飛躍。

這一突破性發現仰仗于干涉測量法：天文學家將來自大間距分布望遠鏡的光進行組合，以產生直徑等同該間距的虛擬望遠鏡。這種技術可以分解標準望遠鏡無法辨別的小細節。

20世紀20年代，天文學家在威爾遜山首次采用干涉測量法觀測恒星。使用一個6米的干涉儀（兩個小鏡子被間隔6米安裝在胡克反射器上，有效地使其成為一個直徑6米的望遠鏡），阿爾伯特·A.邁克爾遜和弗朗西斯·G.皮斯首次成功測量到了除太陽以外的數顆恒星的角距大小。不過，他們的干涉儀只能測量到最近的幾顆恒星，建造更大型的設備在當時是不可能的。此后，該項研究沉寂了數十年。

1950年，天文學家杰拉爾德·E.克朗開始研究分析其他恒星表面的可能性，但最終得出結論，“它們過于遙遠，現有的光學設備乃至日后所有的光學設備都無法分解觀測”。（隨后，他設法間接地推斷出其他恒星上存在暗表面特征。）

如今，隨著光學干涉測量的重新興起，這項技術的進步遠遠超出了克朗當時的想象。威爾遜山擁有世界上最長的光干涉儀：高角度分辨率天文學中心（CHARA）陣列。CHARA陣列正在分解鄰近恒星的表面，使大家以前所未有的角度窺見太陽的“鄰居”們。

CHARA陣列是由六個組合成Y 形結構的1米望遠鏡組成，這些望遠鏡具有長度各異的基線，最長的為331米。它們可以組合成15個望遠鏡對，每對望遠鏡各司其職，共同組成331米的虛擬望遠鏡。約翰·D.莫尼耶及其領導的密歇根大學的團隊研發了一種儀器——密歇根紅外組合器（MIRC）。該儀器可以同時組合所有六個望遠鏡的光，以充分利用陣列。MIRC先前已被用于快速旋轉星體的扁平表面、環繞恒星的氣盤和新星爆炸的膨脹殼的成像。

現在，研究者將CHARA陣列和MIRC組合使用，便實現了當初克朗認為不可能的事情：直接成像遙遠恒星布滿斑點、活躍的表面。

然而，這項工作仍然是費力的。大多數恒星因為過小而無法利用當前最先進的技術來分解，創建分解的圖像需要選擇正確的目標。首先，目標恒星必須在天空中顯得明亮和相對較大；其次，它們必須有恒星黑子（磁性活動的區域，與太陽上的黑子類似），才能具備觀察所需的黑暗特征；最后，恒星必須足夠快地旋轉，以便可以通過完整的旋轉觀察它們，而不會演化出太多的斑點。

我很榮幸可以將此作為自己博士論文的一部分。我選擇將二元體系的主要成員奎宿二——一顆在秋日天空用肉眼依稀可見的恒星——作為目標?？薅纸咏覀儯?81光年），其直徑是太陽的16倍。它呈扁球狀，與美式足球的形狀類似——這是由其密切“伴侶”的重力引起。通過對宿主暗斑間接成像，它已被清晰地觀測到。因此，對我的論文來說，這是一個完美的目標。我們的團隊由14人組成，包括我的顧問（MIRC的創建者）莫尼耶。2013年9月，我們用了18個夜

晚，借助CHARA陣列對奎宿二的旋轉做了觀察。組合所有數據并將其在旋轉表面上呈現出來花費了我們大量的時間和精力。

2016年5月，我們發布了勝利成果：奎宿二的最高分辨率圖像。我們能夠檢測到它極點上的斑點，以及表面上看似沒有圖案形成的黑子。它的情況與太陽不同，在太陽表面上，只有特定的緯度才能形成黑子。存在這種差異的部分原因在于奎宿二是一顆更加古老、有不同內部結構的恒星。

理論模型表明，奎宿二的大部分核心以外的內部是對流的，較熱的物質上升，較冷的物質下沉，如同爐子上沸騰的水壺一般。相比之下，太陽只有最外層有這樣的運動?？薅?8天的旋轉周期也明顯快于太陽27天的旋轉周期。

進化模型表明，太陽在“年輕時”也有類似的厚厚的對流層，并且旋轉周期也短。通過研究奎宿二的斑點表面，我們認為太陽早期的某些劇烈變化可能影響過45億年前太陽系的形成，以及隨后地球上生命的發展。

最重要的是，對奎宿二的觀測分析只是開始，以后將有可能觀察到較暗恒星的表面，包括“年輕太陽的類似物”，即目前恒星質量正在增加、形成新星球的云盤包圍的年輕恒星。通過分解各種類型的恒星及其特征，我們可以建立更多關于恒星結構、磁性、形成和演化等的準確模型。

干涉測量的力量方興未艾，奎宿二的圖像就展示了這種未被充分利用的技術的巨大潛力。4個世紀前，狂熱的太陽黑子觀察者伽利略意識到銀河系是由“數不清的恒星聚集而成的”。今日，我們終于開始窺得它們的真實面貌。