星震學：研究天上的“地震”，瞭解恆星的“內心”

説起星震學或者恆星震動，很多人可能會感覺到陌生。即使在天文學專業中，星震學也並不是一個很流行的方向。我們不妨從“地震”開始講起。目前，地理學家對地球內部結構知之甚少，畢竟以當前科技，人類還不能鑽入地球深處去直接研究地球內部。但是，地震這個讓人聞風喪膽的傢伙，卻能夠讓科學家一窺地球內部的秘密。地震會產生地震波，這是一種在地球內部震盪和傳播的波。這些地震波穿過不同物質時會有不同的表現。比如説，地震波在不同深度有着不同的傳播速度，而橫波無法在液體中傳播。由此，人們繪製出了地球內部的大體輪廓，即地殼—地幔—地核的分層結構。

星星上有“地震”，太陽也不例外

天文學家研究恆星時也遇到了地理學家同樣的難題。英國著名天文學家愛丁頓於1926年出版的《恆星內部結構》中就提出了著名的問題，大意為：“我們望遠鏡的視線能穿過數十億光年的空間，但無法穿透恆星熾熱的表面，我們如何才能知道恆星內部結構呢？”現在我們有了答案：天文學家可以通過觀測在恆星內部傳播的震動波，並結合基本物理知識，來推算恆星內部環境。這種和地震學如出一轍的研究方法就被稱作“星震學”。

恆星有着幾種震動模式。恆星震動一般是指全球的長時間的震動，而不像地震一樣在一個很小範圍並很短時間內發生。每種震動模式都有自己的震動週期，也會讓恆星的亮度發生變化。天文學家通過長時間監測恆星亮度，即可知道恆星是否在震動，以什麼模式在震動，從而開展進一步的研究。

很多恆星都在發生着震動，比如説太陽，研究太陽震動的學科也叫做日震學。太陽表面的震動模式數以千計，而一些振幅最強的模式，其週期在五分鐘左右，這就是著名的“五分鐘震盪”。天文學家利用太陽的震動了解了太陽的內部與演化的信息。

太陽震動主要有兩種模式，壓力模式和重力模式。壓力模式主要發生在太陽比較淺的區域內，並在太陽內部不同深度傳播。天文學家通過研究在不同深度傳播的震動波，發現太陽在不同深度和不同緯度處的自轉是不同的。這被稱作較差自轉，對太陽磁場和活動具有決定性作用。天文學家還利用日震學確定了太陽的年齡，並發現其與最老的隕石年齡相當。而重力模式目前還處在預言之中，並無廣泛接受的觀測證據。原因是重力模式發生在太陽內部，很難在表面觀測到。

地球上“看不清”，到太空去看“地震”

為了更好地分辨恆星震動的模式和頻率，星震學要求人們長時間不間斷地監測某顆恆星的亮度。然而，這對於地面觀測基本是不可能的，因為地面上總會有陰天下雨、晝夜交替等現象干擾觀測。並且，隨着太陽運動，一般的恆星總有大半年的時間無法觀測，因為它們會在白天出現。

而2009年發射的開普勒空間望遠鏡解決了這些問題。開普勒衞星的主要科學目標是尋找系外行星。它會同時不間斷地觀測10萬顆恆星的亮度，並尋找它們亮度忽然變暗的信號——這是行星通過恆星前方時遮擋了一部分光的結果。空間觀測也避開了大氣層和太陽月球的干擾，從而大幅提高了數據質量。

讓人驚喜的是，開普勒衞星的觀測數據正好也符合星震學的研究要求。目前開普勒衞星已經“退休”，它一共收集了長達4年幾乎不間斷的恆星亮度數據。這極大推動了星震學的研究工作。這些年星震學收穫頗豐，如開普勒衞星觀測了約一萬五千顆和太陽震動相似的恆星，從而讓科學家能精確地測量恆星的質量、半徑、年齡等參數，進而精確推斷其系外行星的參數。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的恆星上發現了重力模式，由此研究了恆星內核上邊緣的物理性質和自轉速度。

正如地震使地理學家瞭解地球內部構造一樣，恆星震動讓天文學家能推算遙遠恆星的內部性質。天文學家從而能精確地確定恆星的質量、半徑、自轉和演化階段等參數，也能進一步地發展恆星物理的知識。隨着如開普勒太空望遠鏡等一系列空間望遠鏡的升空，星震學迎來了其發展的黃金時代，更多關於恆星的秘密等着人們去揭開。（作者系澳大利亞悉尼大學物理學院博士生）