我們通常認(rèn)為，來(lái)自同一片物質(zhì)云的恒星會(huì)有相同的金屬含量。這個(gè)觀點(diǎn)支持了天文學(xué)研究中的一些領(lǐng)域，比如尋找太陽(yáng)的“兄弟姐妹”。但對(duì)于一些雙星系統(tǒng)來(lái)說，情況并不總是這樣。盡管它們?cè)醋韵嗤奈镔|(zhì)庫(kù)，它們的組成可能不同，這種差異甚至影響到了它們的行星系統(tǒng)。

最新的研究揭示，這些差異可以追溯到它們形成的最初階段。

在銀河系中，雙星系統(tǒng)是大多數(shù)，而像我們的太陽(yáng)這樣的單星系統(tǒng)則是少數(shù)。據(jù)估計(jì)，銀河系中大約有85%的恒星是雙星系統(tǒng)。這些雙星系統(tǒng)都是從同一片巨大的分子云中誕生的。每片云的金屬含量都有一定的豐度，理論上，這種豐度也應(yīng)該體現(xiàn)在形成的恒星上。

但事實(shí)并非總是如此。

有時(shí)候，一對(duì)雙星的金屬含量并不一致。天體物理學(xué)家為此提出了三種可能的解釋。

其中兩種解釋與恒星在離開主序階段后的晚期事件有關(guān)。一種是原子擴(kuò)散，即化學(xué)元素在恒星內(nèi)部形成梯度層。這些層由恒星的重力和溫度決定。另一種解釋涉及到附近的行星。隨著恒星的老化、膨脹成為紅巨星，它們可能會(huì)吞噬附近的行星，從而引入新的化學(xué)物質(zhì)，使得恒星與它的雙星伙伴產(chǎn)生差異。

就像我們的太陽(yáng)一樣，當(dāng)恒星老化并離開主序階段時(shí)，它們會(huì)膨脹成為紅巨星，并可能吞噬附近的行星，這會(huì)改變恒星的化學(xué)成分。

第三種解釋則回到了雙星系統(tǒng)形成的時(shí)期。這種解釋認(rèn)為，孕育這些恒星的巨型分子云并不是完全均勻的。云內(nèi)部的化學(xué)成分存在區(qū)域性差異，因此不同位置形成的恒星在化學(xué)成分上也表現(xiàn)出了明顯的差異。

為了驗(yàn)證這第三種解釋，一組天文學(xué)家利用位于夏威夷莫納克亞山頂?shù)碾p子座南望遠(yuǎn)鏡和它的高分辨率光學(xué)光譜儀（GHOST）對(duì)一對(duì)巨大的雙星系統(tǒng)進(jìn)行了細(xì)致的觀察。他們的觀測(cè)結(jié)果顯示，這對(duì)雙星的光譜存在顯著差異。

他們將研究成果發(fā)表在《天文學(xué)和天體物理學(xué)》雜志上，論文標(biāo)題為“使用GHOST揭示化學(xué)差異的起源”。主要作者是來(lái)自阿根廷天文、地球和空間科學(xué)研究所的Carlos Saffe。他們研究的這對(duì)雙星系統(tǒng)名為HD 138202和CD-30 12303。

雙星之間化學(xué)差異的三種解釋都源于對(duì)處于主序階段的恒星的研究。主序階段是恒星一生中最漫長(zhǎng)的時(shí)期，它們?cè)谶@個(gè)時(shí)期穩(wěn)定地將氫轉(zhuǎn)化為氦，持續(xù)數(shù)十億年。

但Saffe和他的團(tuán)隊(duì)采取了不同的研究方法。他們使用雙子座南望遠(yuǎn)鏡和GHOST對(duì)已經(jīng)離開主序階段、成為巨星的一對(duì)雙星進(jìn)行了觀察。這些巨星與主序星有著本質(zhì)的不同。

Saffe表示：“GHOST提供的極高質(zhì)量光譜，使我們能夠以前所未有的精度測(cè)量恒星的參數(shù)和化學(xué)豐度?！?/span>

研究中的一張表格展示了這對(duì)巨星雙星之間的一些差異。表格中的第三列顯示了它們不同的金屬含量，以鐵氫比率Fe/H表示。星A的金屬含量比它的伴星高出約0.08 dex。

這些巨星經(jīng)歷了所謂的“混合”過程?；旌鲜侵负阈堑膶?duì)流區(qū)從表面一直延伸到發(fā)生核聚變的地方。當(dāng)主序星變成紅巨星時(shí)，這種強(qiáng)烈的對(duì)流電流會(huì)將核聚變的產(chǎn)物混合到恒星的表面層。

太陽(yáng)的這張圖解有助于我們理解混合過程。目前太陽(yáng)仍處于主序階段，其對(duì)流區(qū)位于表面。但當(dāng)像太陽(yáng)這樣的恒星變成紅巨星時(shí)，會(huì)出現(xiàn)稱為混合的臨時(shí)對(duì)流細(xì)胞，它們可以從表面延伸到核聚變核心，從而在可見表面引入不同的化學(xué)元素。

然而，研究人員指出，混合和由此引發(fā)的原子擴(kuò)散無(wú)法解釋恒星之間如此巨大的差異。

強(qiáng)烈的對(duì)流電流也會(huì)排除第二種解釋：行星吞噬。在如此強(qiáng)大的電流作用下，被吞噬行星的化學(xué)物質(zhì)會(huì)迅速被稀釋。作者指出：“巨星被認(rèn)為對(duì)吞噬事件的敏感性遠(yuǎn)低于主序星。”

作者進(jìn)一步計(jì)算了巨星需要消化多少行星物質(zhì)才能引起恒星之間金屬量的差異。他們估計(jì)星A需要消化相當(dāng)于11.0到150.0個(gè)木星質(zhì)量的行星物質(zhì)，這取決于采用的對(duì)流包層質(zhì)量和被吞噬行星的金屬含量。這是一個(gè)非常大的物質(zhì)量。他們還解釋說，為了引起化學(xué)差異，這些行星必須具有極高的金屬量，以便11個(gè)木星質(zhì)量的行星物質(zhì)能夠產(chǎn)生影響。

這只剩下一種解釋：分子云中的不均勻性。

這是金牛座巨大分子云的一部分的兩面板鑲嵌圖，它是離地球最近的活躍恒星形成區(qū)域。最暗的區(qū)域是恒星誕生的地方。研究表明，云中的小不均勻性可以產(chǎn)生具有不同金屬量的雙星。

Saffe說：“這是天文學(xué)家第一次能夠確認(rèn)雙星之間的差異始于它們形成的最早階段?！?/span>

NSF國(guó)際雙子座天文臺(tái)的項(xiàng)目主任Martin Still表示：“使用GHOST儀器提供的精密測(cè)量能力，雙子座南現(xiàn)在正在收集生命末期恒星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，以揭示它們出生的環(huán)境。這使我們能夠探索恒星形成時(shí)的條件如何影響它們數(shù)百萬(wàn)或數(shù)十億年的整個(gè)存在。”

這些結(jié)果在很大程度上解釋了為什么一對(duì)雙星可以有不同的組成。但它們的意義甚至更遠(yuǎn)。它們還解釋了為什么一對(duì)雙星可以有如此不同的行星系統(tǒng)。Saffe說：“不同的行星系統(tǒng)可能意味著非常不同的行星類型——巖石的、類似地球的、冰巨行星、氣體巨行星——它們以不同的距離繞它們的宿主恒星運(yùn)行，其中支持生命的可能性可能非常不同。”

但這些結(jié)果也帶來(lái)了挑戰(zhàn)。天文學(xué)家使用化學(xué)標(biāo)記來(lái)識(shí)別相互關(guān)聯(lián)的恒星。來(lái)自同一恒星托兒所的恒星預(yù)計(jì)會(huì)有相似的組成。但在這些發(fā)現(xiàn)的光下，該方法似乎不可靠。

結(jié)果還挑戰(zhàn)了雙星之間組成差異可以通過行星吞噬來(lái)解釋的觀點(diǎn)。相反，這些差異可能源于恒星形成的最早幾天。

Saffe說：“通過首次展示原始差異確實(shí)存在并負(fù)責(zé)雙星之間的差異，我們表明恒星和行星形成可能比最初想象的更復(fù)雜。宇宙喜歡多樣性！”

這位藝術(shù)家的概念圖展示了一個(gè)假設(shè)的行星，它覆蓋在開普勒-35A和B的雙星系統(tǒng)周圍，被水覆蓋。如果恒星中的化學(xué)成分差異源于它們形成的最早幾天，那么這些差異必須影響圍繞它們形成的行星類型。

這項(xiàng)研究的唯一缺點(diǎn)是樣本量為一。小樣本量總是需要謹(jǐn)慎對(duì)待：它們可以提供初步的結(jié)論，但單獨(dú)不能形成可靠的結(jié)論。作者知道這一點(diǎn)。

研究人員總結(jié)道：“我們強(qiáng)烈鼓勵(lì)對(duì)巨星-巨星對(duì)進(jìn)行研究。這種新方法可能有助于我們區(qū)分在多個(gè)系統(tǒng)中觀察到的輕微化學(xué)差異的起源?！?/span>

通過這次研究，我們對(duì)恒星和行星系統(tǒng)的形成有了更深入的理解。盡管樣本量有限，但這項(xiàng)研究為我們提供了寶貴的線索，表明恒星和行星的形成過程可能比我們之前認(rèn)為的要復(fù)雜得多。這不僅挑戰(zhàn)了我們現(xiàn)有的理論，也為未來(lái)的研究指明了方向。隨著更多的觀測(cè)和研究，我們有望揭示更多關(guān)于宇宙多樣性的秘密。