我们通常认为，来自同一片物质云的恒星会有相同的金属含量。这个观点支持了天文学研究中的一些领域，比如寻找太阳的“兄弟姐妹”。但对于一些双星系统来说，情况并不总是这样。尽管它们源自相同的物质库，它们的组成可能不同，这种差异甚至影响到了它们的行星系统。
最新的研究揭示，这些差异可以追溯到它们形成的最初阶段。
在银河系中，双星系统是大多数，而像我们的太阳这样的单星系统则是少数。据估计，银河系中大约有85%的恒星是双星系统。这些双星系统都是从同一片巨大的分子云中诞生的。每片云的金属含量都有一定的丰度，理论上，这种丰度也应该体现在形成的恒星上。
但事实并非总是如此。
有时候，一对双星的金属含量并不一致。天体物理学家为此提出了三种可能的解释。
其中两种解释与恒星在离开主序阶段后的晚期事件有关。一种是原子扩散，即化学元素在恒星内部形成梯度层。这些层由恒星的重力和温度决定。另一种解释涉及到附近的行星。随着恒星的老化、膨胀成为红巨星，它们可能会吞噬附近的行星，从而引入新的化学物质，使得恒星与它的双星伙伴产生差异。
就像我们的太阳一样，当恒星老化并离开主序阶段时，它们会膨胀成为红巨星，并可能吞噬附近的行星，这会改变恒星的化学成分。
第三种解释则回到了双星系统形成的时期。这种解释认为，孕育这些恒星的巨型分子云并不是完全均匀的。云内部的化学成分存在区域性差异，因此不同位置形成的恒星在化学成分上也表现出了明显的差异。
为了验证这第三种解释，一组天文学家利用位于夏威夷莫纳克亚山顶的双子座南望远镜和它的高分辨率光学光谱仪（GHOST）对一对巨大的双星系统进行了细致的观察。他们的观测结果显示，这对双星的光谱存在显著差异。
他们将研究成果发表在《天文学和天体物理学》杂志上，论文标题为“使用GHOST揭示化学差异的起源”。主要作者是来自阿根廷天文、地球和空间科学研究所的Carlos Saffe。他们研究的这对双星系统名为HD 138202和CD-30 12303。
双星之间化学差异的三种解释都源于对处于主序阶段的恒星的研究。主序阶段是恒星一生中最漫长的时期，它们在这个时期稳定地将氢转化为氦，持续数十亿年。
但Saffe和他的团队采取了不同的研究方法。他们使用双子座南望远镜和GHOST对已经离开主序阶段、成为巨星的一对双星进行了观察。这些巨星与主序星有着本质的不同。
Saffe表示：“GHOST提供的极高质量光谱，使我们能够以前所未有的精度测量恒星的参数和化学丰度。”
研究中的一张表格展示了这对巨星双星之间的一些差异。表格中的第三列显示了它们不同的金属含量，以铁氢比率Fe/H表示。星A的金属含量比它的伴星高出约0.08 dex。
这些巨星经历了所谓的“混合”过程。混合是指恒星的对流区从表面一直延伸到发生核聚变的地方。当主序星变成红巨星时，这种强烈的对流电流会将核聚变的产物混合到恒星的表面层。
太阳的这张图解有助于我们理解混合过程。目前太阳仍处于主序阶段，其对流区位于表面。但当像太阳这样的恒星变成红巨星时，会出现称为混合的临时对流细胞，它们可以从表面延伸到核聚变核心，从而在可见表面引入不同的化学元素。
然而，研究人员指出，混合和由此引发的原子扩散无法解释恒星之间如此巨大的差异。
强烈的对流电流也会排除第二种解释：行星吞噬。在如此强大的电流作用下，被吞噬行星的化学物质会迅速被稀释。作者指出：“巨星被认为对吞噬事件的敏感性远低于主序星。”
作者进一步计算了巨星需要消化多少行星物质才能引起恒星之间金属量的差异。他们估计星A需要消化相当于11.0到150.0个木星质量的行星物质，这取决于采用的对流包层质量和被吞噬行星的金属含量。这是一个非常大的物质量。他们还解释说，为了引起化学差异，这些行星必须具有极高的金属量，以便11个木星质量的行星物质能够产生影响。
这只剩下一种解释：分子云中的不均匀性。
这是金牛座巨大分子云的一部分的两面板镶嵌图，它是离地球最近的活跃恒星形成区域。最暗的区域是恒星诞生的地方。研究表明，云中的小不均匀性可以产生具有不同金属量的双星。
Saffe说：“这是天文学家第一次能够确认双星之间的差异始于它们形成的最早阶段。”
NSF国际双子座天文台的项目主任Martin Still表示：“使用GHOST仪器提供的精密测量能力，双子座南现在正在收集生命末期恒星的观测数据，以揭示它们出生的环境。这使我们能够探索恒星形成时的条件如何影响它们数百万或数十亿年的整个存在。”
这些结果在很大程度上解释了为什么一对双星可以有不同的组成。但它们的意义甚至更远。它们还解释了为什么一对双星可以有如此不同的行星系统。Saffe说：“不同的行星系统可能意味着非常不同的行星类型——岩石的、类似地球的、冰巨行星、气体巨行星——它们以不同的距离绕它们的宿主恒星运行，其中支持生命的可能性可能非常不同。”
但这些结果也带来了挑战。天文学家使用化学标记来识别相互关联的恒星。来自同一恒星托儿所的恒星预计会有相似的组成。但在这些发现的光下，该方法似乎不可靠。
结果还挑战了双星之间组成差异可以通过行星吞噬来解释的观点。相反，这些差异可能源于恒星形成的最早几天。
Saffe说：“通过首次展示原始差异确实存在并负责双星之间的差异，我们表明恒星和行星形成可能比最初想象的更复杂。宇宙喜欢多样性！”
这位艺术家的概念图展示了一个假设的行星，它覆盖在开普勒-35A和B的双星系统周围，被水覆盖。如果恒星中的化学成分差异源于它们形成的最早几天，那么这些差异必须影响围绕它们形成的行星类型。
这项研究的唯一缺点是样本量为一。小样本量总是需要谨慎对待：它们可以提供初步的结论，但单独不能形成可靠的结论。作者知道这一点。
研究人员总结道：“我们强烈鼓励对巨星-巨星对进行研究。这种新方法可能有助于我们区分在多个系统中观察到的轻微化学差异的起源。”
通过这次研究，我们对恒星和行星系统的形成有了更深入的理解。尽管样本量有限，但这项研究为我们提供了宝贵的线索，表明恒星和行星的形成过程可能比我们之前认为的要复杂得多。这不仅挑战了我们现有的理论，也为未来的研究指明了方向。随着更多的观测和研究，我们有望揭示更多关于宇宙多样性的秘密。
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