“开普勒”太空望远镜使用新技术观测到“七姐妹”星团亮度变化

人类对昴宿星团的观测已有千年历史。如今，科学家展示了一种通过高性能太空望远镜来观测原本无法观测的高亮度恒星的新技术。...



【导读】

人类对昴星团的观测已有千年历史。如今，科学家展示了一种通过高性能太空望远镜来观测原本无法观测的高亮度恒星的新技术。



图注：图为昴星团，是NASA”开普勒”太空望远镜在执行K2任务的第4部分工作时拍摄的。”开普勒”太空望远镜使用42块CCD（电荷耦合器件）组成了像素高达9500万的摄像头，该星团的成像过程跨越了其中两个电荷耦合器件。该星团中最明亮的恒星包括，昴宿六阿尔雄、昴宿七阿特拉斯、昴宿一厄勒克特拉、昴宿四玛雅、昴宿五墨洛珀、昴宿二泰莱塔以及昴宿十二普勒俄涅。古希腊人将昴宿星团中七颗最明亮的恒星分别以仙女普勒俄涅与大力神阿特拉斯的七个女儿的名字命名，这也是“七仙女”名字的来由。这些恒星可被裸眼观测到。按照原先的设计，”开普勒”太空望远镜

并具备对如此明亮恒星的观测能力，“七姐妹”星团会导致相机拍摄时亮度过于饱和，从而在图片中形成毛刺，导致图片损毁。尽管会发生如此严重的图像退化，但目前已经出现了一种新的技术，在“开普勒”太空望远镜对这些恒星为期三个月的观测中，天文学可使用该技术精细测量恒星的亮度变化。

图片来源：NASA/奥胡斯大学/T•怀特

由古希腊人命名为“七姐妹”星团的这七颗恒星，被现代天文学称为昴星团，用裸眼即能观测，世界各地的文明对这个星团进行了上千年的研究。现在，奥胡斯大学恒星天体物理中心的蒂姆·怀特博士及其在丹麦的研究团队同国际天文学家们一起，展示了一种可以对此类恒星进行深入科学研究观测的新技术，该技术使得原本无法观测的高亮度恒星可通过高性能太空望远镜实施观测。这项研究发表于英国《皇家天文学会月报》。

该研究团队使用新算法对”开普勒”太空望远镜在K2任务第4部分工作期间拍摄的图片进行了增强，并对“七姐妹”星团的变化进行了深入细致的研究。”开普勒”太空望远镜之类的卫星，本来是设计用来搜寻围绕遥远恒星运行的行星的，其基本搜寻方法为，观察行星绕恒星运行时穿越恒星表面导致出现的恒星亮度降低。”开普勒”太空望远镜的另一个任务是星震学研究，通过恒星亮度的变化来研究恒星的结构及演化。

在设计方案中，”开普勒”太空望远镜要在同一时间对上千颗遥远的、亮度暗淡的恒星进行观测，对它而言，有些恒星的亮度太大了，实在无法进行观测。就好比，将来自明亮恒星的光束直接照在相机探测器上，会导致恒星图片的中央像素点亮度饱和，使恒星总亮度的测量精确性出现巨大损失。普通数码相机也会因同样的原因出现同样的动态范围损失，这会导致在相同的曝光度下无法观测暗淡或明亮的图片细节。

“要让”开普勒”太空望远镜能够观测明亮恒星，解决方案其实很简单。”蒂姆·怀特博士说，“我们主要是关注亮度对比度的变化情况，而不是绝对亮度的变化情况。对临近区域未饱和像素的变化进行测量，对饱和区域作忽略处理。”

但是，”开普勒”太空望远镜的运动变化及探测器的轻微缺陷会掩盖恒星变化的信号。为了克服这一问题，研究人员开发了一种新的技术，对每一个像素的贡献度进行测量，从而找到工具效应被抵消的正确平衡位置，揭示出真正的恒星变化。这一新方法被命名为光晕光度法，研究人员已经将这一简单快速算法发布为一款免费开源软件。



图注：每一颗恒星亮度的独特起伏变化，都揭示了恒星体积及转动速度等物理性质。昴星团中的大部分明亮恒星都是一种被称为慢脉动B星的变星，但昴宿四玛雅不同，昴宿四玛雅在以十天周期进行旋转时，其表面会有巨大化学斑穿过。

图片来源：奥胡斯大学/T•怀特

据观测，“七姐妹”星团的大部分恒星都是慢脉动B星，这一种类的变星，其亮度会按照一天周期进行变化。人类很少了解恒星核心区域的物理化学反应过程，这些变星的脉动频率就是对这一方面进行探索研究的关键。

昴宿四玛雅的不同之处在于，其变化周期为10天。以前的研究显示，像昴宿四玛雅这一类恒星的表面的锰化学元素浓度异常。为了观察两者之间是否存在关联，赫茨普龙恒星观测网络望远镜进行了一系列的分光镜观测。

“我们发现，”开普勒”太空望远镜观测到的昴宿四玛雅亮度变化与昴宿四玛雅大气中的锰吸收强度变化存在关联。”奥胡斯大学恒星天体物理中心助理教授、该研究的共同作者维多利亚·安托奇博士说，“我们认为，亮度变化是由恒星表面的巨大化学斑导致的，在昴宿四玛雅以十天周期旋转时，化学斑会在视野中反复出现。”

“六十年前，天文学家曾经认为，能够在昴宿四玛雅观测到数小时的变化周期，他们认为，这是一种全新的变星类型，还将其命名为昴宿四玛雅型变星，”怀特说：“但我们的新观测结果显示，昴宿四玛雅本身其实并不属于昴宿四玛雅型变星！”

该研究未发现太阳系外行星凌日现象，但研究作者表示，新算法所能达到的精度，可供”开普勒”太空望远镜及将来的太空望远镜（如：凌日系外行星观测卫星，Transiting Exoplanet Survey Satellite，简称TESS）使用，以便它们对太阳系附近比邻星南门二(半人马座阿尔法星)所发生的系外行星凌日现象进行观测。这些近邻的明亮恒星就是人类未来宇航计划的最佳目标，也是2018年晚些时候将发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜的最佳观测目标。

来源：http://phys.org

译者：朱川

责编：钟狼将

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