用星震学探测类太阳恒星的小尺度磁场

近日，中国科学院云南天文台恒星物理研究团组林桂芳等人在探测类太阳恒星小尺度磁场方面取得了重要进展。相关研究论文以“Exploring the Small-scale Magnetic Fields of the Solar Analog KIC 8006161 Using Asteroseismology”为题，发表在国际天文学期刊《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）上。

磁场在现代天体物理学中非常重要且普遍。空间天文观测站Hinode的观测表明在太阳光球层表面宁静区存在无处不在的小尺度磁场。数值模拟表明，这些小尺度磁场和恒星表面湍对流运动相伴相生。也就是说，类太阳恒星中也普遍存在小尺度磁场。然而，不幸的是，到目前为止，能够实现小尺度磁场探测的目标源只有太阳。类太阳恒星距离遥远，依靠提高望远镜的空间分辨率和极化灵敏度探测类太阳恒星的小尺度磁场非常困难。

由于小尺度磁场的存在，恒星外层大气中气体压在一定高度处陡降，相应地，它的物质密度随之降低，从而形成一个声波反射面，进而改变p-mode 脉动谐振腔的大小，最终改变脉动频率。可以理解为，小尺度磁场在高层大气中形成一个无形的磁拱罩，阻碍声波的传播，这为使用星震学探测类太阳恒星的小尺度磁场提供了机会。

小尺度磁场对p-mode脉动的影响和类太阳脉动表面效应相一致，研究人员假设所有的表面效应都是由恒星表面的小尺度磁场引起的，通过改变恒星表面大气中T-τ关系模拟磁压的作用，最后对其进行建模模拟。通过理论模拟，能从恒星内部到恒星表面完全限制恒星结构，模型完美解释观测数据。最终，他们确定了类太阳恒星KIC 8006161小尺度磁场强度（96高斯）以及磁弧拼接层的位置（光球层外522km）。

由于小尺度磁场的产生原理目前还有争议，研究人员把KIC 8006161的最佳拟合模型与太阳模型比较，发现若使用宇宙学定义的初始的氦丰度，KIC 8006161除对流区深度与太阳模型不同外，其恒星表面的对流速度与涡胞大小与太阳模型相比基本重合，其小尺度磁场强度与太阳的非常接近。其磁弧拼接层的下方存在一个磁空，该特点与磁流体动力学的三维模拟的结果一致。该研究工作进一步说明通过星震学分析类太阳恒星表面小尺度磁场性质的有效性。

该研究获得国家自然科学基金（包括基础科学中心、重点、面上等），国家重点研发计划等项目的支持。

图1： 恒星p-mode脉动珊状图，灰点：观测数据，红色和蓝色点：理论模型的结果

图2： 恒星光球层外气体压（实线）与磁压（虚线）随恒星大气高度的分布