說起星震學(xué)或者恒星震動(dòng)，很多人可能會(huì)感覺到陌生。即使在天文學(xué)專業(yè)中，星震學(xué)也并不是一個(gè)很流行的方向。我們不妨從“地震”開始講起。目前，地理學(xué)家對地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)知之甚少，畢竟以當(dāng)前科技，人類還不能鉆入地球深處去直接研究地球內(nèi)部。但是，地震這個(gè)讓人聞風(fēng)喪膽的家伙，卻能夠讓科學(xué)家一窺地球內(nèi)部的秘密。地震會(huì)產(chǎn)生地震波，這是一種在地球內(nèi)部震蕩和傳播的波。這些地震波穿過不同物質(zhì)時(shí)會(huì)有不同的表現(xiàn)。比如說，地震波在不同深度有著不同的傳播速度，而橫波無法在液體中傳播。由此，人們繪制出了地球內(nèi)部的大體輪廓，即地殼—地幔—地核的分層結(jié)構(gòu)。
星星上有“地震”，太陽也不例外
天文學(xué)家研究恒星時(shí)也遇到了地理學(xué)家同樣的難題。英國著名天文學(xué)家愛丁頓于1926年出版的《恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)》中就提出了著名的問題，大意為：“我們望遠(yuǎn)鏡的視線能穿過數(shù)十億光年的空間，但無法穿透恒星熾熱的表面，我們?nèi)绾尾拍苤篮阈莾?nèi)部結(jié)構(gòu)呢？”現(xiàn)在我們有了答案：天文學(xué)家可以通過觀測在恒星內(nèi)部傳播的震動(dòng)波，并結(jié)合基本物理知識，來推算恒星內(nèi)部環(huán)境。這種和地震學(xué)如出一轍的研究方法就被稱作“星震學(xué)”。
恒星有著幾種震動(dòng)模式。恒星震動(dòng)一般是指全球的長時(shí)間的震動(dòng)，而不像地震一樣在一個(gè)很小范圍并很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生。每種震動(dòng)模式都有自己的震動(dòng)周期，也會(huì)讓恒星的亮度發(fā)生變化。天文學(xué)家通過長時(shí)間監(jiān)測恒星亮度，即可知道恒星是否在震動(dòng)，以什么模式在震動(dòng)，從而開展進(jìn)一步的研究。
很多恒星都在發(fā)生著震動(dòng)，比如說太陽，研究太陽震動(dòng)的學(xué)科也叫做日震學(xué)。太陽表面的震動(dòng)模式數(shù)以千計(jì)，而一些振幅最強(qiáng)的模式，其周期在五分鐘左右，這就是著名的“五分鐘震蕩”。天文學(xué)家利用太陽的震動(dòng)了解了太陽的內(nèi)部與演化的信息。
太陽震動(dòng)主要有兩種模式，壓力模式和重力模式。壓力模式主要發(fā)生在太陽比較淺的區(qū)域內(nèi)，并在太陽內(nèi)部不同深度傳播。天文學(xué)家通過研究在不同深度傳播的震動(dòng)波，發(fā)現(xiàn)太陽在不同深度和不同緯度處的自轉(zhuǎn)是不同的。這被稱作較差自轉(zhuǎn)，對太陽磁場和活動(dòng)具有決定性作用。天文學(xué)家還利用日震學(xué)確定了太陽的年齡，并發(fā)現(xiàn)其與最老的隕石年齡相當(dāng)。而重力模式目前還處在預(yù)言之中，并無廣泛接受的觀測證據(jù)。原因是重力模式發(fā)生在太陽內(nèi)部，很難在表面觀測到。
地球上“看不清”，到太空去看“地震”
為了更好地分辨恒星震動(dòng)的模式和頻率，星震學(xué)要求人們長時(shí)間不間斷地監(jiān)測某顆恒星的亮度。然而，這對于地面觀測基本是不可能的，因?yàn)榈孛嫔峡倳?huì)有陰天下雨、晝夜交替等現(xiàn)象干擾觀測。并且，隨著太陽運(yùn)動(dòng)，一般的恒星總有大半年的時(shí)間無法觀測，因?yàn)樗鼈儠?huì)在白天出現(xiàn)。
而2009年發(fā)射的開普勒空間望遠(yuǎn)鏡解決了這些問題。開普勒衛(wèi)星的主要科學(xué)目標(biāo)是尋找系外行星。它會(huì)同時(shí)不間斷地觀測10萬顆恒星的亮度，并尋找它們亮度忽然變暗的信號——這是行星通過恒星前方時(shí)遮擋了一部分光的結(jié)果。空間觀測也避開了大氣層和太陽月球的干擾，從而大幅提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量。
讓人驚喜的是，開普勒衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)正好也符合星震學(xué)的研究要求。目前開普勒衛(wèi)星已經(jīng)“退休”，它一共收集了長達(dá)4年幾乎不間斷的恒星亮度數(shù)據(jù)。這極大推動(dòng)了星震學(xué)的研究工作。這些年星震學(xué)收獲頗豐，如開普勒衛(wèi)星觀測了約一萬五千顆和太陽震動(dòng)相似的恒星，從而讓科學(xué)家能精確地測量恒星的質(zhì)量、半徑、年齡等參數(shù)，進(jìn)而精確推斷其系外行星的參數(shù)。還記得在太陽上看不到的重力模式嗎？人們在比太陽稍微熱一點(diǎn)的恒星上發(fā)現(xiàn)了重力模式，由此研究了恒星內(nèi)核上邊緣的物理性質(zhì)和自轉(zhuǎn)速度。
正如地震使地理學(xué)家了解地球內(nèi)部構(gòu)造一樣，恒星震動(dòng)讓天文學(xué)家能推算遙遠(yuǎn)恒星的內(nèi)部性質(zhì)。天文學(xué)家從而能精確地確定恒星的質(zhì)量、半徑、自轉(zhuǎn)和演化階段等參數(shù)，也能進(jìn)一步地發(fā)展恒星物理的知識。隨著如開普勒太空望遠(yuǎn)鏡等一系列空間望遠(yuǎn)鏡的升空，星震學(xué)迎來了其發(fā)展的黃金時(shí)代，更多關(guān)于恒星的秘密等著人們?nèi)ソ议_。(作者系澳大利亞悉尼大學(xué)物理學(xué)院博士生)
李 剛
