明星的秘密生活

Matteo Cantiello 是熨斗研究所计算天体物理学中心的研究科学家。

夜空中的星星可能看起来一成不变，但它们过着复杂而令人兴奋的生活。在熨斗研究所，理论天体物理学家Matteo Cantiello每天都在研究大质量恒星如何在其生命周期中发生变化，以及这些变化如何影响星系的演化。为此，他创建了可以与观测数据进行比较的计算机模型，以帮助天文学家了解这些恒星是如何生存和死亡的。

Cantiello 是熨斗研究所计算天体物理中心的研究科学家，也是普林斯顿大学的客座副研究员。在此之前，他曾在加州大学圣巴巴拉分校的 Kavli 理论物理研究所工作，并且是波恩大学的 Argelander 研究员。他在乌得勒支大学获得理论天体物理学博士学位，在比萨大学获得理论物理学硕士学位。

Cantiello 最近与西蒙斯基金会谈论了他的工作和宇宙的卑微尺度。为清楚起见，已对对话进行了编辑。

 

您目前的研究重点是什么？

现在，我正在解决三个主要问题。

一是膨胀的恒星如何吞噬行星。当一颗恒星走到生命尽头时，它会耗尽其核心中的氢，这会导致恒星膨胀。对于像我们的太阳这样的恒星，这种膨胀会将行星吞噬到火星。小行星可能不会对恒星产生太大影响，但在其他行星系统中，可能会吸收木星大小的行星，这可能会影响恒星的光度和化学成分。在这种情况下，我们特别感兴趣的问题是：行星发生了什么，恒星发生了什么？我们正在通过运行计算机模型进行数字化研究，这些模型可以帮助我们了解行星和恒星可能发生的情况以及我们可能观察到的可能留下的迹象。

一颗膨胀的红巨星吞噬了一颗近地轨道的行星。在大约 50 亿年后，太阳将吞没水星和金星，甚至可能还有我们的地球。学分：詹姆斯·吉特林/STScI AVL

其次，我一直有兴趣了解一些大质量恒星似乎“嘈杂”的观测事实。如果你观察这些恒星发出的光，随着时间的推移，它们的亮度会以非常不规则的方式变化。如果您绘制这种随时间变化的图表，它看起来很“嘈杂”。人们猜测可能是什么原因造成的，因此我们正在对这些恒星进行建模以找出正在发生的事情。这是来自恒星深处或更靠近恒星表面的某种扰动。陪审团还没有出来，但我认为我们的团队已经非常接近解决这个问题了。

我正在研究的另一个问题是在中心有一个活跃的超大质量黑洞的星系可能发生的情况。当诸如尘埃或气体之类的物质落入这样的黑洞时，它会产生所谓的吸积盘——一种由漫射物质在缓慢落入黑洞时形成的结构。我感兴趣的是如果一颗恒星最终出现在这个圆盘中会发生什么。有一些令人信服的证据表明，这种情况可能很普遍，因为星系中心的恒星密度非常高，因此这些吸积盘可能会捕获一些恒星。

不稳定的大质量恒星包络的 3D 模拟。图片来源：Jiang、Cantiello等人。 2018自然

与普通恒星不同，这些被困住的恒星现在被困在这个热气浴中，由于它们的引力，它们可以开始吸收这些气体。如果有足够的材料，这些恒星的质量可以增长数百倍。我有兴趣弄清楚这是如何发生的，以及这对系统和银河系有什么影响。

你如何为明星建模？你需要什么工具？
星星是复杂的野兽。他们有很多物理知识，他们很大，而且他们活了很长时间。这使得在恒星的整个生命周期中运行完整的 3D 模拟是不可能的，至少以我们目前的技术能力是不可能的。所以我们必须简化问题。

一种方法是使用一维模型来简化了解恒星在其整个生命周期中表面的样子。这些模型相对便宜，因此我们可以运行它们并计算恒星的整个生命周期。通过将恒星的观测与此类模型进行比较，我们可以发现我们理解中的不足之处。然后可以在 1D 模型没有意义或与观察结果不匹配的地方通过 3D 模型的快照来增强这一点。总而言之，这种方法可以帮助我们更全面地了解正在发生的事情，并找出我们是否遗漏了物理或谜题的一部分。

了解恒星如何帮助我们了解宇宙以及我们在其中的位置？

大质量恒星在天体物理学的许多现象中发挥着重要作用。它们产生爆炸性事件，如长伽马射线爆发和超新星，并留下致密的残余物，如中子星和恒星质量黑洞。这些恒星在死亡时还会将大量的能量和物质喷射到星系中，因此它们也会影响星系的化学和动力学演化。大质量恒星也会形成构成你 DNA 的碳、氮和氧。如果你想了解构成你的元素，就必须了解这些恒星的生命周期。

大质量恒星留下致密的残余物：中子星和黑洞。当一对靠近轨道的这些物体合并时，它们会发射引力波，现在可以使用引力波天线（例如 LIGO 和 Virgo）检测到。学分：加州理工学院

质量较低的恒星也可以用来测量宇宙中的巨大距离，以帮助解释为什么宇宙的膨胀正在加速，这是宇宙学中最大的谜团之一。而且由于它们拥有系外行星，这些恒星还可以帮助我们了解拥有宜居行星所需的条件以及宇宙中存在生命的可能性。

天文学是一门真正帮助你了解宇宙中事物规模的学科。它具有透视事物的能力。我认为，当您开始了解天文学中的这些概念以及太空是多么的空旷时，人类的规模真的会吸引您。真的很丢脸。