頂着“煤灰”狀大氣的碳星_風聞

碳星是個啥？

1869年，人們發現了第一顆碳星G77-61。與普通恆星不同，它們的大氣中，碳比氧多。碳星大氣中，碳與氧結合形成一氧化碳CO，多餘的碳則形成C2，CN和CH等化合物。因此，與其它恆星相比，碳星光譜具有非常明顯的特徵，即有很強的C2，CN和CH等分子帶。

圖1. 想象的碳星圖像（圖源：網絡）

在G77-61這顆星發現之前，人們一直認為碳星是處於漸近巨星支（AGB）階段的恆星，它們大氣中的碳，通過AGB階段的第三次挖掘過程從恆星內部被“挖掘”到大氣中。這種解釋被稱作傳統的碳星產生機制，通過這種機制產生的碳星被稱為“內因碳星”。

1986年，迪爾伯恩等人發現G77-61其實是一顆雙星，它有一顆冷的光學不可見的白矮星伴星。天文學家認為G77-61大氣中的碳，是從它的白矮星伴星吸積過來的，當時伴星還處於熱脈衝（TP-AGB）階段。這種雙星理論被稱為是非傳統的碳星產生機制，通過這種機制產生的碳星被稱為“外因碳星”。

*** Tips延展：**關於恆星的演化階段，以及上兩段中提到的漸近巨星支階段、熱脈衝階段等，請閲讀“長圖 | 恆星的一生”

碳星家族

1993年，基南提出了摩根-基南（MK）分類系統，他根據光譜特徵將碳星分為7類，這種分類方法在後續的中/低分辨光譜的分類中得到了廣泛的應用。1996年，伯恩鮑姆等人改進了MK分類系統，將碳星分為C-H、C-R、C-J、C-N和Ba星五種。

C-H星被認為是温度較高的光譜型從G到K的普通巨星，它們是星族二恆星，年老且金屬元素含量低。通常來説，C-H星的運動速度較快，運動學性質顯示它們位於銀河系暈中。利用視向速度巡天，人們發現C-H是雙星，它們有一顆緻密的白矮星伴星，質量轉移是它們表面大氣碳增加的原因，因此C-H是“外因”碳星。在C-H星的光譜中，最顯著的特徵是4340 Å 附近有很強的CH分子帶，如圖2上圖中紅色部分所示。

Ba星是比德爾曼和基南於1951年首次發現，它們是一類特殊的紅巨星，光譜型大致從G8到K2。在Ba星的光譜中，有很強的s-過程元素譜線，比如4554 Å和6496Å的Ba II線以及4077 Å的Sr II線，如圖2的下圖紅色部分所示。

圖2. 郭守敬望遠鏡LAMOST中發現的C-H星和Ba星（圖源：作者）

像Ba和Sr這種比Fe重的元素，是AGB階段恆星內部通過慢中子俘獲過程（s-過程）產生的，而Ba星是還未演化到AGB階段的紅巨星，它們還無法產生這些重元素。

1980年， 麥克盧爾等人通過監測視向速度變化，發現Ba星實際上也是雙星，它們大氣中的碳和重元素實際上是通過質量傳遞從一個AGB伴星上吸積過來，因此與C-H星一樣，Ba星也是“外因”碳星。

除了少量早型C-H星，C-R星是最熱的碳星，它們的起源目前尚無定論。人們一直認為C-R星是銀河系厚盤上的單星，但是它們比AGB階段恆星更低的光度和更高的有效温度，使得它們大氣中富裕的碳不太可能是AGB階段第三次挖掘過程產生的。

後續的研究發現，C-R星可能曾經是雙星，但是主星和伴星之間的距離使得它們無法演化到巨星和AGB階段就合併為一顆單星，合併過程中恆星內部氦閃產生的碳被混合到恆星的表面。因此，與C-H和Ba星一樣，C-R星也是“外因”碳星。在C-R星的光譜中，最顯著特徵是有很強的CaI（4226Å）線，如圖3上圖中紅色部分所示。

到目前為止，C-N星的起源研究的最為清楚，它們是處於AGB演化階段的恆星，大氣中的碳是AGB階段第三次挖掘過程從恆星內部“挖掘”到表面的。因此，C-N星是“內因”碳星。在C-N星的光譜中，最大的特徵是波長小於4400 Å時，流量很快衰減至消失，如圖3下圖紅色部分所示。

圖3. 郭守敬望遠鏡LAMOST發現的C-R星和C-N星（圖源：作者）

C-J星這個名字是布依格1954年第一次提出的，與C-R類似，C-J星的確切演化階段和性質尚不清楚。與AGB星不同，C-J星的大氣中並沒有表現出s-過程元素增加，因此它們很可能不是處於AGB演化階段的“內因”碳星。

有研究顯示，C-J星和C-R星大氣中的碳可能產生於相同的機制，但目前尚未發現這兩類星之間的聯繫，因此尚不能確定C-J星是否是冷卻和演化後的C-R星。在C-J星的光譜中，最大的特徵是有強的碳同位素分子帶，如13C12C和13C14N，圖4中綠色部分展示了兩個碳同位素分子帶的位置。

圖4. 郭守敬望遠鏡LAMOST發現的C-J星（圖源：作者）

未來可期

銀河系數以千億計的恆星中，碳星是非常稀少且重要的研究對象，它們可以用來研究元素核合成過程、銀河系化學演化過程以及確定星團或矮星系的距離等。

從上世紀70年代到2000年初，受光譜觀測能力所限，天文學家歷經約30年才發現6000多顆碳星。那個年代，大規模光譜巡天尚未開展，短時間內獲得大量光譜數據較為困難。不過，彼時人們可以同時對很多目標進行“拍照”觀測（即測光觀測），測光數據量更大且相對更容易獲得。因此，人們首先使用“拍照”數據（即測光數據）初步篩選出碳星候選體，然後對它們進行後續光譜觀測以證認碳星。

郭守敬望遠鏡（LAMOST），坐落於燕山深處的承德市興隆縣，是我國天文學家自主研發的大規模光譜巡天望遠鏡。它能夠同時觀測4000個目標，是目前世界上光譜獲取率最高的望遠鏡。到目前為止，LAMOST已獲得超過1000萬恆星的光譜數據。

圖5：位於河北省興隆縣的郭守敬望遠鏡LAMOST（圖源：於海童）

國內研究人員曾利用LAMOST四年的觀測數據發現約3000顆碳星，據此推算，使用LAMOST數據，8年左右就能完成前人30年才能完成的碳星搜尋工作，將碳星樣本積累的時間大約縮短至原來的四分之一，為後續深入的研究節約了時間，並大幅度推動相關領域的研究進展。

目前，大規模天體測量巡天（測量天體距離和位置等）和時域巡天（研究天體如何隨時間變化）都已展開，比如歐洲航天局的Gaia衞星和美國國家航空局的TESS望遠鏡。未來，LAMOST與這些巡天數據的結合，將幫助天文學家對碳星展開更全面而細緻的研究，例如每種碳星的星族、運動學、光變性質甚至起源等。

圖6. 歐洲航天局的蓋亞空間望遠鏡（GAIA）（圖源：網絡）

與前輩天文學家相比，我們正身處天文觀測技術和設備快速發展的時代，同時也迎來了天文學蓬勃發展的歷史階段。值此重要時刻，筆者深感，吾輩唯有更加努力地工作，才能在歷史的潮流中蹚出屬於中國天文學發展的道路。

最後，感謝這個偉大的時代，也致敬每一個正在奮鬥的我們，願中國天文學事業更上一層樓！

作者 · 簡介

**李蔭碧，**中國科學院國家天文台副研究員，主要從事碳星、高速星及海量光譜分析等領域研究。