【看圖說故事 01】恆星的脈動

林彥興

恆星結構與演化是現代天文物理的基石。
但由於恆星並不透明，因此百年來，物理學家雖然建構了複雜的物理模型來推測恆星的內部結構，卻遲遲無法透過觀測來直接與真的恆星比較。

幸運的是，人們在 20 世紀末發現，波動在恆星內傳播時會改變其亮度，而這些波動攜帶著關於恆星內部結構的重要信息，其概念與地球物理學家利用地震波了解地球內部構造類似。因此，通過長期監測恆星的亮度，可以通過分析其光變曲線中的不同脈動模式，來限制恆星結構模型。這個領域被稱為「星震學 Asteroseismology」。

然而，一個該領域中的研究人員（特別是初學者）常面對的挑戰，是文獻中對這些脈動恆星的分類繁多且複雜。因此在 Kurtz (2022) 中，作者就用圖一彙整了不同類型的變星在赫羅圖上的位置，從而更容易與恆星演化的脈絡聯繫起來，並展示該類型主導的脈動模式。

在圖上：

1. 紅色實線是零齡主星序（ZAMS，也就是主序帶，恆星剛點燃核心 pp chain 的位置）。
2. 虛線表示恆星的演化軌跡，直到紅巨星分支的頂端，主序線上的紅色數字是以太陽質量為單位的質量。
3. 交叉線表示該區域主要的脈動模式：
   • p 模式（\\\\）：聲波，壓力是恢復力。經典例子是包含造父變星的不穩定帶。
   • g 模式（///）：重力波，重力（或實際上是浮力）是恢復力。通常需要以月為單位的觀測來解析傅立葉空間中的信號。
   • 隨機驅動的脈動（≡）：由如恆星對流層等隨機過程驅動的脈動。太陽以及質量約為 1 太陽質量的紅巨星是經典例子。
   • 奇異模式（|||）：發生在高光度與質量比（$L/M$）恆星中的非線性模式。因此，僅在赫羅圖的高光度區域（$L > 10^4 L_\odot$）能看到此模式。

在接下來的十年裡，像 PLATO 這樣的專門進行光度測量太空望遠鏡將接替 Kepler 和 TESS，提供精確（ppm 級光度精度）且長期（月至年級別）的光變曲線，這將造福系外行星和星震學社群。對恆星的更深入理解，將鞏固星系考古學、超新星前身的研究等其他領域的發展。