如何揭示一颗遥远恒星的面貌

蕾切尔·罗滕巴切尔

美国威尔逊山天文台坐落于洛杉矶郊外的圣加布里埃尔山脉，人类有关宇宙探索的数次重大飞跃性发现都产生于此。1924年，埃德温·哈勃在此证明了河外星系的存在，此后还发现了宇宙正在扩张的可靠证据。现在，威尔逊山又迎来了另一个天文观测上的飞跃。

这一突破性发现仰仗于干涉测量法：天文学家将来自大间距分布望远镜的光进行组合，以产生直径等同该间距的虚拟望远镜。这种技术可以分解标准望远镜无法辨别的小细节。

20世纪20年代，天文学家在威尔逊山首次采用干涉测量法观测恒星。使用一个6米的干涉仪（两个小镜子被间隔6米安装在胡克反射器上，有效地使其成为一个直径6米的望远镜），阿尔伯特·A.迈克尔逊和弗朗西斯·G.皮斯首次成功测量到了除太阳以外的数颗恒星的角距大小。不过，他们的干涉仪只能测量到最近的几颗恒星，建造更大型的設备在当时是不可能的。此后，该项研究沉寂了数十年。

1950年，天文学家杰拉尔德·E.克朗开始研究分析其他恒星表面的可能性，但最终得出结论，“它们过于遥远，现有的光学设备乃至日后所有的光学设备都无法分解观测”。（随后，他设法间接地推断出其他恒星上存在暗表面特征。）

如今，随着光学干涉测量的重新兴起，这项技术的进步远远超出了克朗当时的想象。威尔逊山拥有世界上最长的光干涉仪：高角度分辨率天文学中心（CHARA）阵列。CHARA阵列正在分解邻近恒星的表面，使大家以前所未有的角度窥见太阳的“邻居”们。

CHARA阵列是由六个组合成Y 形结构的1米望远镜组成，这些望远镜具有长度各异的基线，最长的为331米。它们可以组合成15个望远镜对，每对望远镜各司其职，共同组成331米的虚拟望远镜。约翰·D.莫尼耶及其领导的密歇根大学的团队研发了一种仪器——密歇根红外组合器（MIRC）。该仪器可以同时组合所有六个望远镜的光，以充分利用阵列。MIRC先前已被用于快速旋转星体的扁平表面、环绕恒星的气盘和新星爆炸的膨胀壳的成像。

现在，研究者将CHARA阵列和MIRC组合使用，便实现了当初克朗认为不可能的事情：直接成像遥远恒星布满斑点、活跃的表面。

然而，这项工作仍然是费力的。大多数恒星因为过小而无法利用当前最先进的技术来分解，创建分解的图像需要选择正确的目标。首先，目标恒星必须在天空中显得明亮和相对较大；其次，它们必须有恒星黑子（磁性活动的区域，与太阳上的黑子类似），才能具备观察所需的黑暗特征；最后，恒星必须足够快地旋转，以便可以通过完整的旋转观察它们，而不会演化出太多的斑点。

我很荣幸可以将此作为自己博士论文的一部分。我选择将二元体系的主要成员奎宿二——一颗在秋日天空用肉眼依稀可见的恒星——作为目标。奎宿二十分接近我们（181光年），其直径是太阳的16倍。它呈扁球状，与美式足球的形状类似——这是由其密切“伴侣”的重力引起。通过对宿主暗斑间接成像，它已被清晰地观测到。因此，对我的论文来说，这是一个完美的目标。我们的团队由14人组成，包括我的顾问（MIRC的创建者）莫尼耶。2013年9月，我们用了18个夜

晚，借助CHARA阵列对奎宿二的旋转做了观察。组合所有数据并将其在旋转表面上呈现出来花费了我们大量的时间和精力。

2016年5月，我们发布了胜利成果：奎宿二的最高分辨率图像。我们能够检测到它极点上的斑点，以及表面上看似没有图案形成的黑子。它的情况与太阳不同，在太阳表面上，只有特定的纬度才能形成黑子。存在这种差异的部分原因在于奎宿二是一颗更加古老、有不同内部结构的恒星。

理论模型表明，奎宿二的大部分核心以外的内部是对流的，较热的物质上升，较冷的物质下沉，如同炉子上沸腾的水壶一般。相比之下，太阳只有最外层有这样的运动。奎宿二18天的旋转周期也明显快于太阳27天的旋转周期。

进化模型表明，太阳在“年轻时”也有类似的厚厚的对流层，并且旋转周期也短。通过研究奎宿二的斑点表面，我们认为太阳早期的某些剧烈变化可能影响过45亿年前太阳系的形成，以及随后地球上生命的发展。

最重要的是，对奎宿二的观测分析只是开始，以后将有可能观察到较暗恒星的表面，包括“年轻太阳的类似物”，即目前恒星质量正在增加、形成新星球的云盘包围的年轻恒星。通过分解各种类型的恒星及其特征，我们可以建立更多关于恒星结构、磁性、形成和演化等的准确模型。

干涉测量的力量方兴未艾，奎宿二的图像就展示了这种未被充分利用的技术的巨大潜力。4个世纪前，狂热的太阳黑子观察者伽利略意识到银河系是由“数不清的恒星聚集而成的”。今日，我们终于开始窥得它们的真实面貌。