| 单词 | 脉动理论进展 |
| 释义 | 【脉动理论进展】 拼译：progress in pulsation theory 脉动理论是20世纪20年代由英国爱丁顿(A．S．Eddington)为了揭开变星脉动的物理本质而首先创立的。巨星与超巨星的不规则光变性质是长期以来争论的问题，其物理机制究竟是什么?弄清它们对研究宇宙的尺度、星体的物理性质以及推动物理学理论的发展都将有重要的意义。脉动变星自身在不断膨胀、收缩或发生变形运动，其光度、颜色、光谱型以及视向速度也随之发生变化，在某些脉动变星中还发现有多重周期的脉动现象，甚至显示出复杂瞬时变化，产生不易辨认的傅里叶频谱。最初人们是用双星假说来解释脉动，到20年代，爱丁顿摒弃了双星假说，而用脉动假说来解释造父变星的亮度变化和视向速度变化。早期的脉动理论是线性绝热径向脉动理论，人们利用它研究了各种简单恒星模型的绝热脉动和准绝热脉动。理论的进一步发展是线性非绝热径向脉动理论，它能解释赫罗图上脉动不稳定区蓝端边界位置以及脉动变星的光变曲线同视向速度曲线的相移关系。到1962年，非线性脉动理论的诞生，使脉动理论有了新的进展，从该理论推得的光变曲线形状、振幅都能与观测符合，除了以上径向脉动模式外，有的星球上所观测到的现象需要用非径向脉动模式，对于简单的恒星模型，非径向脉动的本征振动可分为P模式、g模式和f模式，然而对复杂的恒星模型，已不可能将它分类了。脉动的物理机制至今未能彻底解决。 近来，一种新的思想被引进脉动理论中，混沌理论开始应用来研究变星的脉动，取得了突破性进展。目前所观测到的大多数变星都或多或少地呈现出不规则的光变曲线，理论与观测都表明在这些脉动星中，非线性效应起主导作用，甚至一些过去认为是周期脉动的，随着观测精度的提高及时间序列的延长，也呈现出多周期的或不规则的。可以相信这些光变曲线的不规则性应与混沌脉动有关。自1980年以来，为了获得脉动变星的确切可靠的多周期解，兴起了全球多台址24h变星光度联测，后来又发展为光谱多址联测。中国蒋世仰(Jiang Shiyang)等参加了联测，在多周期解方面作出了重要贡献，发现即使是被认为典型单周期的ADCMi，它的相邻光度极大时刻的间隔实际上也并不严格相等，起伏达±1%～3%个周期，这些现象说明在恒星脉动中存在着明显的非线性效应。80年代末期，混沌、分形的概念陆续被应用到脉动理论中，形成了活跃的研究领域。系统从定态演化到混沌的道路，目前已知主要的有3条，即倍周期级联分岔、准周期和锁频以及阵发混沌。其中以倍周期分岔最容易从傅里叶频谱中分谐波的存在而得到证认，因而近年来国外研究混沌脉动用的最多的就是倍周期分岔。布彻勒(J．R．Buchler)等人于1987年发现在低表面引力的流体动力学模型中恒星脉动的切分岔的存在，接着他指出仙女座W星存在倍周期分岔，这种分岔的结果使恒星进入混沌脉动。西曼(N．R．Simon)及伍因格特(D．Winget)等人于1988年对许多白矮星作测光观测，发现在它们功率谱中显示出周期、准周期和不规则运动，接着有不少人用非线性动力学解释所观测到的白矮星的变光特性，这些工作主要是把非线性振子或这些振子的弱非线性耦合看作是被观测到的复杂特性的模型。1988年，戈培尔(M．J．Goupil)等人研究大熊座的变光白矮星PG1351+489及G191－16时，发现功率谱中除了基频外，还有分谐波频率，认为倍周期分岔通向混沌可能是这些星的合适的物理机制，从而断定它们正面临着混沌状的脉动。他们选择变光白矮星只是因为变光白矮星具有最短周期，大约200～800s，在一夜观测中可以得到40多个周期。如果脉动频率为γ0，发现还存在分谐波频率γ0／2，γ0／4……，开始时恒星按单一的规则的周期振荡．光度曲线的变化也按这个基本频率γo重复出现，以后可能由于冷却，光度曲线的一个完全循环周期加倍，出现γo／2，γo／4……，以及它的倍数，这一级联分岔现象意味着趋向混沌振荡。戈倍尔等人认为这种混沌振荡在变光白矮星中可能是个普遍现象。塔可提(M．Takeuti)等人于1988年发现：罗斯勒(Rössler)方程的Z分量吸引子的基本结构与R Scuti光曲线的基本结构之间有惊人的类似，罗斯勒方程是最简单的非线性微分方程，通过倍周期分岔出现混沌特性。从R．Scuti光曲线计算的轨迹和从罗斯勒模型计算的轨迹之间的类似表明R Scuti的光变性质是由低维混沌引起，研究指出，R Scuti吸引子的维数比罗斯勒模型的维数高。1989年，赛托(M．Saitou)等人完成了简单恒星模型的全非线性研究，成功地指出，随着不透明度的非线性的增加，将出现倍周期分岔，他们得到弗振帮(Feigenbaum)树枝分岔，从而证实了混沌性质确实存在。雅马卡瓦(F．Yamakawa)等人于1990年指出，鹿豹座VZ星将处于混沌状态。1989年，中国的熊大闰(Xiong Darun)提出了一种独立的恒星对流理论，成功地用于研究恒星的脉动、内部结构和演化。1991年，印度的达斯(M．K．Das)等人提出了另一种方案来解释白矮星功率谱中分谐波的存在，即用二维环面上的准周期运动来研究变星脉动。他从许多白矮星所得到的高速测光数据，证明在它们的功率谱中存在分谐波频率，许多白矮星显示出多重周期结构。达斯指出，准周期运动的失稳，会导致功率谱中出现类似的分谐波成分。他认为准周期运动比戈培尔提出的倍周期分岔的方案更为普遍。准周期运动与近代流体中的实验一致，功率谱中通常先看到两个不可比的频率带，然后突然出现宽的噪声带，事实上由于锁频，耗散系统中不可能无限制出现不可比新频率，相近频率会突然靠拢并锁住，频谱中只剩下较少的独立频率，只要二维环面上的准周期运动就可以直接失稳而成为奇怪吸引子。在功率谱中由于噪声的存在，只能观测到头几个谐波，这同样可以用环面的瓦解来解释，当非线性耦合增强时，准周期运动瓦解，最终导致混沌运动。戈培尔等人于1991年已将子波分析方法用来研究变光白矮星G191－16及PG1351+489的光变曲线。这种子波分析适用于研究不稳定信号，把光变曲线分解为不同振荡分量，因而可以各自研究它们的瞬时特性，根据这两颗白矮星光变曲线的子波分析，证实了这两颗星脉动除了一个主要的大振幅振荡外，还由一些小振幅振荡和不同频率交替振荡组成，而且光变曲线的频率是不会全部符合脉动模式的，因为一些频率是由非线性效应产生的。他们确实发现G191－16的两个振荡的振幅被同一拍频周期所调制，同时还观察到陡的短寿命的振幅变化。事实表明，这些振荡频率不可能都是非径向g模式，更有可能与非线性效应有关。1992年，陈福生(Chen Fusheng)与蒋世仰(Jiang Shiyang)等人发现恒星结构基本方程本身的内在随机性，从而提出阵发混沌机制可能是某些变星脉动的物理本质，并求出了穿越“走廊”(narrow channel)的时间。当一个叠代点恰好落在一个“走廊”附近时，就好像叠代往不动点收敛，在“走廊”中多次叠代后，从“走廊”的另一端离去，这相当于在某些脉动变星中所观测到的近乎周期的运动；当叠代点离开某一“走廊”经过一些大幅度的跳跃之后，又可能来到另一个“走廊”附近，在不同“走廊”之间的跳跃对应于混沌运动。这相当于在脉动变星中所观测到的纯随机运动，整个过程看起来就好像是周期运动中随机地夹杂了一些混沌运动。观测到的巨星、超巨星的不规则光变性质就很像这种情况，在它们光变曲线中出现多周期、纯随机或两者结合运动，都可以用阵发混沌机制来解释，从而在前人已做过的“倍频级联分岔”和“准周期运动”外，又填补了“阵发混沌”的机制。1992年1月在日本召开国际(ASP)讨论会，议题为“变星中的非线性现象”，根据会议精神可以看到该领域在20世纪内的研究热点是：(1)继续坚持多址联测，积累大量高精度测光资料，从观测与理论两方面并进；(2)脉动现象的非线性效应，将被深入研究；(3)应用倍频分岔、准周期运动以及阵发机制来研究脉动可能成为热点；(4)由光曲线导出的轨线的准确分维，至今未能计算出来，因而分维理论以及子波分析理论都将在今后的几年得到进一步发展和应用；(5)双模脉动问题至今未能解决，希望至2000年双模造父变星之谜能被非线性理论所解释。【参考文献】：1 Auvergne M,et al. Astro Astrophys. 1985,142:388～392 ,2 Goupil M J,et al. Astro Astrophys, 1988,196:L13～L163 Auvergne M,et al. Vistas in Astronomy,1990,33:399～4114 Kollath Z. Mon Not R Astr Soc,1990,247:377～3485 Chen Fusheng.et al. Astrophys Space Sci, 1992,195 :341 ～ 3486 Das M K,et al. Astrophys Space Sci, 1992,188:137～1427 Takeuti M. ASP Conference Series,1992,11:279～282(南昌大学陈福生教授撰) |
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