大质量恒星是宇宙的化学工厂吗？恒星内部混合非常多样性吗？

　　天文学家通常将大质量恒星称为宇宙的化学工厂。它们通常以壮观的超新星来终结生命，这些超新星形成了元素周期表中的许多元素。这些巨大恒星中元素核的混合方式对我们了解它们爆炸之前的演化有重要影响。对于科学家研究其结构和演化而言，这也代表了最大的不确定性。

　　由加州大学圣塔芭芭拉分校的卡夫利理论物理研究所的博士后梅·盖德·佩德森（May Gade Pedersen）领导的一组天文学家，现在已经利用对这些恒星内部波的观察，测量了它们整体内部的混合。虽然科学家以前曾使用过这项技术，但本文标志着这是第一次对如此庞大的恒星群同时完成。结果发表在《自然天文学》上，表明内部混合非常多样，对恒星的质量或年龄没有明显的依赖性。

　　恒星一生中的大部分时间都是将氢融入核心深处的氦气中。但是，特别大质量恒星中的聚变是如此集中在中心，以至于形成类似于一锅沸水的湍流对流核。对流以及诸如旋转的其他过程可以有效地从堆芯中除去氦灰，并用包膜中的氢气代替。这使恒星的寿命比其他预期的要长得多。

　　天文学家认为，这种混合是由各种物理现象引起的，例如被对流核心激发的等离子体中的内部旋转和内部地震波。然而，该理论在恒星内部如此之深时，基本上不受观测结果的限制。也就是说，有一种间接凝视恒星的方法：星震学，恒星振荡的研究和解释。该技术与地震学家利用地震探测地球内部的方式具有相似之处。

　　“对恒星振荡的研究挑战了我们对恒星结构和演化的理解，” Pedersen说。“它们使我们能够直接探测恒星内部并与恒星模型的预测结果进行比较。”

　　来自鲁汶大学，哈瑟尔特大学和纽卡斯尔大学的Pedersen和她的合作者已经能够使用星震学推论出这类恒星的内部混合。这是第一次实现这样的壮举，而且只有通过对26颗缓慢脉动的B型恒星的新样本进行采样，这些恒星才具有NASA开普勒任务确定的恒星振荡的可能性。

　　缓慢脉动的B型恒星的质量比太阳大三到八倍。它们按12个小时到5天左右的时间尺度扩展和收缩，并且亮度变化最多可达5％。Pedersen解释说，它们的振荡模式对核心附近的条件特别敏感。

　　佩德森说：“现在已经观察到了恒星内部的内部混合，结果发现我们的样本是多种多样的，有些恒星几乎没有混合，而另一些恒星的内部混合则高出一百万倍。” 事实证明，多样性与恒星的质量或年龄无关。而是，它主要受内部旋转的影响，尽管这不是起作用的唯一因素。

　　她补充说：“这些星震结果最终使天文学家能够改善大质量恒星内部混合的理论，到目前为止，仍无法通过直接从深空内部进行的观测来对其进行校准。”

　　天文学家可以测量恒星振荡的精度直接取决于观测到恒星的时间。将时间从一夜增加到一年会导致所测得的振荡频率精度增加千倍。

　　KITP主任格劳克理论物理学教授拉尔斯·比尔斯顿（Lars Bildsten）说：“梅和她的合作者确实以崭新而深刻的方式证明了星震观测作为恒星深层内部探测的价值。” “很高兴看到她接下来会发现什么。”

　　目前可用于此目的的最佳数据来自开普勒太空任务，该任务连续四年观测到同一块天空。望远镜观察到，脉动缓慢的B型恒星是质量最高的脉动恒星。尽管其中大多数都太小而无法进行超新星飞行，但它们的内部结构与大型恒星化工厂具有相同的内部结构。Pedersen希望通过研究B型恒星获得的见解将阐明其质量较高的O型恒星的内部工作原理。

　　她计划使用来自NASA的过渡系外行星测量卫星（TESS）的数据来研究OB协会中的振荡高质量恒星群。这些群包括3到120个太阳质量之间的10到100多个大质量恒星。她解释说，OB关联中的恒星是从相同的分子云中诞生的，并且具有相似的年龄。大量的恒星样本，并受其共同年龄的限制，为研究高质量恒星的内部混合特性提供了令人兴奋的新机会。

　　除了揭示隐藏在恒星内部的过程外，对恒星振荡的研究还可以提供有关恒星其他特性的信息。

　　“恒星振荡不仅使我们能够研究恒星的内部混合和自转，而且还可以确定其他恒星性质，例如质量和年龄，”佩德森解释说。“虽然这些都是最基本的恒星参数中的两个，但它们也是最难测量的参数。”