如何寻找太阳的“兄弟姐妹”?这三个条件缺一不可
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今天是小暑,虽然还没到一年中极热的时候,但太阳的“威力”已渐渐全面展现。炙热的太阳让我们不由得想到“后羿射日”这个神话。古时有十个太阳,都是天帝的儿子,当他们同时出现时,高温肆虐,禾苗草木皆被烤焦,民不聊生。尧派神射手后羿,射落九日拯救了万民。
虽然这只是个传说,但是,你有没有思考过一个问题,太阳真的有兄弟姐妹吗?答案是肯定的,而且数量众多,但是太阳在很久以前就和它的兄弟姐妹分开了,独自游荡在银河系中。
01太阳诞生记
46亿年前,太阳系诞生在一片绵延数光年的星云中,这里充满了气体和尘埃,组成我们的所有物质元素也都来自这里,包括我们体内的碳、我们呼吸的氧,就像美国天文学家卡尔萨根所说:我们都是由星尘构成的。偶然的一个外力或者扰动,触发了这片星云的引力不稳定性,很多的团块开始塌缩,核心慢慢吸积周围的气体,逐渐长大,经过上千万年的时间,终于在核心区域发生了氢的聚变,一颗颗恒星诞生了。其中那颗普通而又不平凡的恒星就是我们的太阳。在这片星云中,可能诞生了上千颗恒星,它们都是太阳的兄弟姐妹。新诞生的大质量恒星,发出炽烈的光和星风,逐渐吹散了剩余的气体和尘埃,留下了一个星团。
太阳和它的兄弟姐妹诞生之后,由于受到其他恒星的引力作用,还有银河系的旋转作用,经过千百万年后,星团变成了一个松散的团体。又经过亿万年,它们各自奔向不同的方向,渐行渐远,散落在银河系各处,遥遥相望。因此,我们现在银河系所处的位置并不是太阳诞生的地方,我们周围最近的恒星也不是太阳的兄弟姐妹。那么太阳的老家在哪里?它的兄弟姐妹现在怎么样了?在漫长的几十亿年之后,我们能否在银河系千亿颗恒星中找到他们?
02恒星的“DNA”——元素比例
银河系中有上千颗恒星,我们怎么知道哪些是太阳的兄弟姐妹呢?对于我们人类而言,验证亲缘关系最可靠的方法是“DNA”检测。诞生于同一片星云的恒星,它们的年龄相仿,而且化学元素的比例是一致的。天文学家通过测定恒星的元素比例,为每一颗恒星贴上一个化学标签,这个标签就是恒星的“DNA”(同上),可以确定不同恒星之间的亲缘关系。
天文学家用这个方法,找到了很多和太阳的元素比例很接近的恒星。其中在星团M67中,大多数恒星都和太阳有类似的元素比例,而且这个星团的年龄在35~48亿年之间,和太阳的年龄接近。很多天文学家就推测,太阳是不是就是起源于M67星团?在早年的时候从这个星团脱离了。
仅仅依靠化学标签,还是存在很大的误判概率。因为对海量恒星的元素比例进行统一测量,精度还不够高。此外这个方法依赖两个假设,其一,星云中的元素分布是均匀的;其二,每一片星云的元素比例是独一无二的。然而,这两个假设并不是严格成立的。
03如何寻找太阳的兄弟姐妹?
那么我们还有没有别的方法帮助证认M67星团成员是不是太阳的兄弟姐妹呢?银河系中所有的恒星都在围绕银河系中心旋转,就像八大行星围绕太阳旋转。太阳现在以每秒大约230千米的速度绕银河系中心运动,估计需要2.3亿年绕一圈,自诞生之后已经绕了20多圈,这取决于太阳诞生的位置和迁移的路径。我们知道太阳相对于银河系中心的运动速度和方向,再考虑银河系的引力势,可以模拟太阳过去20多圈的运动轨迹。当然还要考虑其他天体对太阳运动轨迹的影响,这个模拟结果还有一些不确定性。
如果太阳是从M67星团“离家出走”的,那么它们的运动轨迹在过去几十亿年里,必然在某一时刻交汇在某一处,那就是太阳离开M67的时间和地点,在此之前,太阳和M67的运动轨迹应该一致。最新的模拟结果显示,在某些特定的条件下,比如M67和一个或者多个星云碰撞之后,太阳才能逃离星团,到达现在的轨道,但是这种碰撞事件很可能会导致M67星团的解体。那么M67到底是不是太阳的母星团,还需要天文学家更多的研究。
总之,判断一颗恒星是否是太阳的兄弟姐妹,需要同时满足下面三个条件,一是年龄和太阳相仿;二是化学元素比例和太阳一致;三是运动轨迹和太阳在过去几十亿年里交汇在某处。
04已经找到的兄弟姐妹
结合恒星的年龄、化学标签和运动学特征,天文学家确实找到了一些孤立的恒星,很可能是太阳的兄弟姐妹。2014年发现了第一颗,编号为HD 162826的恒星,距离我们110光年,它比太阳稍微大一些,直径是太阳的1.3倍,这颗恒星同时满足上述三个条件。
2018年发现了第二颗,编号是HD 186302,距离我们185光年,但是后续更加细致的运动轨迹模拟发现,它并不满足第三个条件。2020年又发现一颗编号为2M19354742 4803549,距离我们大约1100光年,比太阳要小一些,直径是太阳的0.8倍。但是在2022年,通过更精细的光谱观测数据发现这颗恒星非常年轻,大约3600万年,所以它也不可能是太阳的兄弟姐妹。
其他还有几百颗候选体,也可能是太阳的兄弟姐妹,只是现在的结果不确定性还很大,既不能肯定,也不能完全排除。上述三颗恒星是从数十万颗恒星的观测数据中才挑选出来的,而且后续的研究还排除了两个,可见在银河系的上千亿颗恒星中,寻找太阳的兄弟姐妹,如同大海捞针,非常困难。
我们来自哪里?对于太阳来说,这个问题也还没有答案。虽然太阳是我们最熟悉的恒星,也是我们研究的最多的恒星,但是关于太阳和整个太阳系的起源,还有很多未解之谜。寻找太阳的兄弟姐妹,将有助于解开这些谜题,比如太阳从哪里来?如何到达现在的位置?太阳系早期的周围环境是什么样的?对太阳系中行星的形成有什么影响?对于生命产生所需的环境有什么影响?
太阳和它的兄弟姐妹是不可能再次团聚了,但是希望有朝一日,我们能够找到它们,给它们“拍”一张全家福。
作者:闫震中国科学院上海天文台研究员