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          2. 恒星考古:“探”為“觀”止

            [ 錄入者:zhangms | 時間:2019-01-17 12:14:20 | 作者:丁佳 池涵 | 來源:科學網 | 瀏覽:3185次 ]

            時間之矢:從宇宙起源到現在及以后,跨越了整個歷史的主要時期。宇宙演化是研究逐漸稀薄和冷卻的宇宙中,能量、物質和生命的組合和組成的許多變化的一門學科。而恒星考古是研究宇宙演化的重要手段。 圖片來源:NASA

            宇宙之大,深空探測器能夠觸摸的邊界實在有限;想要看到探測器“探”不到的遠方,人們還需要借助于各種各樣的望遠鏡來“觀”。

            本報記者 丁佳 實習生 池涵

            2019年新年伊始,美國國家航空航天局(NASA)發布了“新視野”號深空探測器拍下的柯伊伯帶小行星MU69(綽號“Ultima Thule”,即“天涯海角”)的照片,第一次近距離將這位太陽系邊緣的遠古鄰居呈現在世人面前。

            探尋宇宙的早期歷史,就像尋找人類起源一樣令人著迷。然而宇宙之大,深空探測器能夠觸摸的邊界實在有限;想要看到探測器“探”不到的遠方,人們還需要借助于各種各樣的望遠鏡來“觀”。

            在大洋彼岸的中國,一群從事恒星考古的天文學家就在孜孜不倦地尋找另一種“宇宙化石”。最近,中國科學院國家天文臺研究員趙剛團隊利用中國自主設計并建造的光學望遠鏡LAMOST的巡天數據,挑選出一萬余顆金屬含量不到太陽百分之一的貧金屬星候選體,形成了目前世界上最大的貧金屬星亮源表,相關論文發表在國際期刊《天體物理學報(增刊)》上。

            那么,這些金屬含量特別低的恒星,究竟有著怎樣的奧秘?它們對研究宇宙演化史而言,又有著怎樣的意義?

            搜尋宇宙“化石”

            顧名思義,貧金屬星就是金屬元素含量非常低的恒星。在宇宙形成的最初幾分鐘,僅有的化學元素是氫、氦和極其微量的鋰,而宇宙中其他化學元素都是通過恒星這個“宇宙熔爐”產生的。

            所以,大爆炸之后2億年左右誕生的第一代恒星在出生時是“零金屬”的,它們合成了一些新的金屬元素,并在死亡的時候通過超新星爆發的方式,將這些元素拋射到星際介質中,從而實現了化學增豐。

            這種增豐過程的細節錯綜復雜,簡而言之,在被增豐的星際介質中誕生的下一代恒星會“繼承”這些金屬元素,并生產更多的金屬元素,再“遺傳”給下一代。

            如此周而復始,隨著宇宙不斷變老,金屬的雪球越滾越大,每一代新誕生恒星中的金屬含量都會比它的上一輩多一些。今天,新生恒星的金屬含量要比130億年前的祖輩恒星高出200萬倍。

            因此,金屬含量更低的恒星,就意味著它們誕生于更早的宇宙進化階段。

            貧金屬星的研究有助于解開一系列圍繞早期宇宙、元素起源、第一代恒星和銀河系演化的科學問題。如現存的古老恒星中保留了哪些早期宇宙的遺跡?金屬元素是怎樣在宇宙中產生和積累的?第一代恒星和超新星是什么樣子的?銀河系的形成和演化歷史是怎樣的?

            “因此,恒星考古的主要任務就是搜尋和研究貧金屬星。”趙剛團隊成員、中科院國家天文臺副研究員李海寧告訴《中國科學報》。

            星海“撈針”

            從上世紀80年代以來,恒星考古取得了一系列重要的成果,例如發現了金屬含量超低的第二代恒星,包括金屬含量不到太陽十萬分之一的貧金屬星,以及檢測不到鐵含量的貧金屬星;通過大樣本貧金屬星發現了銀河系有兩個暈成分;在近鄰矮星系發現了揭示雙中子星并合證據的貧金屬星,等等。

            然而,與其他領域的研究相比,這仍然是一項十分困難的工作。李海寧坦言,貧金屬星這類天體非常稀有,基本等同于在星海里面撈針。時至今日,現有貧金屬星樣本數量仍然非常有限。

            在一次講座上,李海寧曾展示過兩張圖,第一張圖是太陽附近用望遠鏡拍到的恒星,密密麻麻地占了一整張圖;而第二張圖是第一張圖里挑出來的貧金屬星,只剩下了稀疏的四個紅點。

            美國麻省理工大學物理系副教授Anna Frebel也曾在《科學美國人》雜志的一篇文章中細數了一系列她在使用智利卡內基天文臺麥哲倫望遠鏡搜尋貧金屬星數據時遇到的困難,除了價格昂貴和地球自轉造成的觀測中斷,還包括信號強度等問題。

            盡管難度巨大,但貧金屬星的重要性也使其成為近二十年來許多大型巡天項目的主要科學目標之一。現在很多國家都有正在進行和計劃中的恒星考古計劃。比如已經開展的漢堡/歐洲南方天文臺巡天HES、美國的斯隆數字巡天SDSS、澳大利亞的SkyMapper巡天,以及未來將開展的日本斯巴魯望遠鏡主焦點光譜儀Subaru\PFS計劃、歐洲4米多目標光譜望遠鏡4MOST項目等。

            近幾年來,中國也以LAMOST巡天為契機,在該領域逐漸活躍起來。

            銀河“淘寶”

            LAMOST,全稱大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡,是我國2009年建成的世界上口徑最大、光譜獲取率最高的光譜巡天望遠鏡,每次觀測可以獲得4000個天體光譜。

            LAMOST巡天獲取了數以百萬計的銀河系恒星光譜,是大天區面積下搜尋珍稀的宇宙化石貧金屬星的極佳機會。于是,趙剛研究團隊利用LAMOST開展了國際上最大規模的貧金屬星搜尋項目。

            李海寧等人利用LAMOST巡天數據挑選出一萬余顆金屬含量不到太陽百分之一的貧金屬星候選體,形成了目前世界上最大的貧金屬星亮源表。

            “這個貧金屬星亮源表的優勢在于既大又亮。”李海寧說,一方面,LAMOST大天區的優勢為研究工作提供了大樣本,可以顯著擴大現有貧金屬星樣本的數量,并減小統計研究的誤差;另一方面,LAMOST搜索到的結果亮源多,不僅有利于進行后續高分辨率光譜觀測,而且也有利于獲取這些貧金屬星的運動學參數,從而對銀河系暈的形成歷史開展化學—運動學多維空間的研究。

            研究人員認為,LAMOST貧金屬星亮源表無疑將成為利用大樣本貧金屬星系統研究銀河系早期演化與銀暈起源的極其寶貴的傳世資源。美國圣母大學天體物理系主任、基特峰天文臺前臺長Timothy Beers教授評價稱:“LAMOST貧金屬星亮源表是該研究領域一個非常重要且具有極高價值的貢獻。”

            基于LAMOST貧金屬星亮源表的后續高分辨率光譜觀測與研究工作也正在順利進行中,并且已經取得了一系列重要的發現。

            例如,科研人員首次系統搜尋并研究鋰元素豐度異常超高的貧金屬星,構建了目前最大的此類樣本,并首次在銀河系場星中發現鋰元素豐度超高的亞巨星,向經典小質量恒星演化模型提出了挑戰;發現了第五顆碳氮氧鈉鎂等多種元素異常超豐的超貧金屬星(金屬含量不到太陽的萬分之一),結合超新星理論模型研究分析,為此類天體的前身星性質提供了重要的觀測限制。

            李海寧說:“貧金屬星多分布在銀河系暈,表明銀暈是銀河系幾個成分中比較年老的成分,也就是它形成的時間更早。但是關于銀暈的起源我們并不是很清楚,而這也正是我們需要對大樣本貧金屬星進行研究的原因。”

            當然,除了利用LAMOST的貧金屬星樣本開展研究外,中國也在積極尋求國際合作,目前在斯巴魯望遠鏡主焦點光譜儀、美國30米望遠鏡等下一代可以開展恒星考古的國際項目中,中國均有參與。

            LAMOST獲取的前所未有的海量恒星光譜,為科學家星海“淘寶”提供了一個廣闊的信息海洋。這一個個令人嘆為觀止的天文計劃,能否為人類開啟恒星考古的新時代?我們不妨拭目以待。

            相關論文信息:DOI: 10.3847/1538-4365/aada4a

            《中國科學報》 (2018-01-15 第8版 探索發現)

             

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