恒星的振动里，听见银河前史
图1 不同振荡模式穿过恒星内部的不同区域，因此可以用来探测内部结构（左）。右上图为 Kepler红巨星 KIC 9145955 完整观测中截取的20天光变曲线，右下图为根据 1060 天连续测光数据计算得到的振荡功率谱。图源 / 左IAC，右[1]
星震学的跨越式发展得益于CoRoT和Kepler空间望远镜。Kepler对同一片天区进行了约四年的连续监测，并以极高测光精度记录了超过20万颗恒星亮度的细微变化。对于红巨星这类振荡周期较长、频谱结构较复杂的目标来说，这样的长时间基线尤其关键：只有在连续且高精度的观测条件下，才更能从傅里叶谱中分辨出足够丰富的振动模式，进而获得更可靠的恒星演化阶段和年龄约束。
缺乏精确的恒星年龄长期是银河系考古研究的核心瓶颈。银河系考古研究的目标，是利用今天恒星的位置、动力学、化学和年龄信息，去重建银河系早期的形成与并合历史。Gaia的高精度数据已经让天文学家能够识别许多古老并合事件留下的恒星遗迹，但要研究这些遗迹在什么时间发生，恒星年龄仍是最关键、也最难获得的参数之一。
红巨星是银河系考古学的重要探针，这得益于其高光度，所以能在更远的距离被探测到。传统方法定恒星年龄通常依赖恒星表面性质（如有效温度、光度/颜色、金属丰度等）去匹配恒星演化模型。但对红巨星而言，仅凭表面参数，恒星的年龄往往不能准确测量，误差很大。星震学通过分析恒星光变信号，能更直接地判断恒星当前处在怎样的演化阶段（例如红巨星支或红团簇），这得益于利用星震信号区分中心核是否是对流。相比于表面性质，恒星年龄对核的性质更敏感。因此通过对Kepler数据对应的傅里叶谱分析，再通过物理模型直接对振荡频率进行建模，可以获得准确的恒星年龄[2][3][4]。
/ 银河系年老恒星
的星震学诊断
为了研究银河系的合并历史，就需要测定那些更早形成、金属含量更低、化学组成更“原始”的恒星的年龄，因为这类低金属丰度的恒星通常被视为更接近银河系早期形成阶段。
Huber et al. (2024) [3]利用Kepler的数据，把对贫金属恒星观测得到的振荡频率和物理模型对比，给出了约 11% 精度的年龄结果，而且在不同恒星模型下都得到高度一致的结论。它表明，即使在极低金属丰度条件下，星震学仍然可以提供稳定的年龄约束，这也意味着，星震学的应用对象正从类太阳金属丰度恒星扩展到更接近银河系早期形成阶段的恒星。
图2 KIC 8144907 的振荡功率谱（左）与 échelle 图（右）。左图展示了可用于星震分析的振荡信号；右图将振荡频率按固定频率间隔重新排布后，不同模式呈现出更清晰的规则结构，便于识别和建模。图源 / [3]
TESS数据为研究银河系的并合遗迹带来了新的机遇。与Kepler原始任务长期持续观测天鹅座与天琴座附近单一天区不同，TESS以24°×96°的天区轮转巡天，已将观测扩展到几乎全天空（见图3）；而在黄道极附近，不同天区还会产生较长时间的重叠观测。基于TESS数据的星震学年龄也已经开始被直接用于研究银河系的并合遗迹。例如，Lindsay等人2025年对Helmi星流（Helmi streams）中两颗最亮的红巨星测量了星震学年龄，结果表明这些恒星在约110–125亿年前就已经形成。这样的研究也得益于TESS的天区覆盖优势。
图3 TESS在黄道坐标系下的天区覆盖。背景颜色表示各天区被TESS观测到的扇区数，扇区统计日期为 2025年3月。
对银河系并合历史研究而言，如果未来对更多合并事件遗迹与更多贫金属恒星成员获得可比较的星震学年龄，就能检验它们的恒星形成是否同步、以及是否存在先形成、然后落入银河系的时间差。从而建立一个统一的银河系合并演化框架。
/未来展望
未来空间望远镜将为星震学研究带来新的机遇。欧洲航天局（ESA）的PLATO 将搭载 26 台相机，在日地 L2 点附近运行，并计划于 2027 年发射[5]。其重要优势在于能够对选定天区进行长时间连续观测，单个天区的观测时长可达约两年（具体确切观测天区及时长仍待定）。对于红巨星等年老恒星，这样的时间基线有助于解析更完整的振荡频谱，从而提高恒星质量、半径和年龄测量的精度，并把可开展精细星震研究的明亮恒星样本扩展到更大规模。
图4 欧洲航天局PLATO任务的艺术概念图。图源 / ESA
NASA的Roman望远镜则会把视角面向银河系核球方向。Roman银河系核球时域巡天（GBTDS）的观测采样时间间隔、持续时间和空间分辨率都非常适合星震学，可探测银河系核球区红团簇星以及光度更高的红巨星的振动[6]。模拟则显示，Roman有望获得约29万颗红巨星的星震探测，其中约18.5万颗来自银河系核球本身[7]。对星震学而言，这意味着它有机会第一次在高消光、恒星拥挤的银河系中心方向，系统地提供大样本、可比较的恒星年龄信息。
图5 Roman空间望远镜及其银河系核球时域巡天天区示意。右图白色轮廓为规划观测场，背景颜色表示银河系中心附近的近红外消光分布。图源 / 左NASA，右[8]。
我们国家的Earth 2.0（ET）项目则采用六台凌星望远镜加上一台微引力透镜望远镜的组合，运行在日地L2，并将连续监测Kepler 及邻近天区约550平方度超过300万颗矮星以寻找凌星信号，并在银心方向同时观测超过3000万颗恒星以开展微引力透镜探测[9]。
图6 中国Earth 2.0（ET）空间望远镜。来源 / 中国科学院上海天文台
作者简介 /
王晨曦，南京大学硕士二年级学生，主要研究方向为星震学。
余杰，南京大学助理教授，主要研究方向为星震学，系外行星与恒星磁活动。
参考文献 /
[1] Hekker & Christensen-Dalsgaard, A&A Rev., 25, 1[2] Montalbán et al., Nat. Astron., 5, 640[3] Huber et al., ApJ, 975, 19[4] Lindsay et al., ApJ, 989, 189[5] ESA, Plato mission page[6] Huber et al., arXiv, 2307.03237[7] Weiss et al., ApJ, 987, 14[8] Terry et al., arXiv, 2510.13974[9] J. Ge et al. 2022, arXiv: 2206.06693
主编 / 陈孝钿 审查 / 何嘉
审核 / 田斌 审批 / 陆烨
编辑 / 怀尘审校 / 苟利军、缓缓
