银河系高速星的发现—记录奋斗在LAMOST淘金路上的他们

[ 录入者:数星星的猫 | 时间:2014-06-29 17:00:30 | 作者:左文文 | 来源:天之文 | 浏览:2267次 ]

文章综述:

最近,中国科学院上海天文台《星团和银河系结构》课题组钟靖等人基于国家大科学工程郭守敬望远镜(大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜,简称LAMOST)释放的第一批恒星光谱数据,发现了28个太阳附近的晚型高速星候选体,它们相对银心的速度都在300千米/秒以上;其中12个候选体相对银心的速度超过了400千米/秒,可以被称为是超高速星候选体。相比于前人工作,这是一个颜色范围更广的高速星样本,构成了目前为止发现的第一批数量最多,而且距离太阳最近(与太阳相距小于1-3 千秒差距(简写成kpc(见附注)))的高速星候选体。对这批高速星候选体的后续性质研究,将为揭开高速星的神秘面纱提供一个重要的媒介。这次重大发现,也表明了LAMOST的潜力无限,未来将会为我们提供更大而且光谱型更多样的高速星样本。这些将会使我们更好地了解高速星的性质和产生原理,进而对银河系的结构和引力势有更好的认识。该项科研成果已经以通讯快报的形式正式发表在最新一期的国际核心期刊《天体物理杂志》(ApJL(Zhong J., et al. 2014, ApJL, 789, 2)上。

    你现在一定有很多疑问。为什么要研究高速星呢?高速星很难发现吗?为什么这次能从LAMOST释放的第一批恒星光谱数据中寻找到如此多的高速星呢?高速星距离太阳远近,对于研究其性质和产生原理等问题有怎样的影响呢?此次发现的高速星候选体样本有什么特别之处?

    不要着急,让我们带着这些问题,走进做这项工作的研究团组,来和这批淘金者进行面对面的交流。以下采访内容是根据与团组成员钟靖(论文第一作者)的文字交流整理。

多面访问:

小编絮絮叨叨,可是还忍不了再絮叨一点:

在大多数人的眼中,科学家们一定是戴着副厚重的眼镜、穿着白色大褂,紧张而认真地在实验室中,拿着一堆试管做实验。天文学家们应该是经常在野外,带着一副望远镜,浪漫地看着星空,画着星图,然后一敲脑袋像聪明的一休那样,感叹道:“啊哈!我知道了!星星是这样的!”殊不知,天文学家们的工作比大家想象地更加有意思,当然也可以说更加“乏味”。是的,有一些天文学家要使用一定的时间去用望远镜观测天空,可是观测星空也并非大家想象的在野外,而更多的是坐在室内电脑前方,运用软件去操控望远镜。切记这还仅仅是天文学家研究工作中极其小的一部分。

    就如同我们各自有梦想、有目标,一个天文学家、一个天文研究团组也有他们的梦想,有他们想要解决的科学问题。为了解决一个问题,他们会思考从理论和观测上分别需要怎样的证据。就单从观测角度来说,至少要思考需要观测什么,如何获取希望得到的观测数据(写各种各样的申请,和国际团组合作等)。即使获得了望远镜的时间,还要实实在在地去观测,踏实认真地去处理和分析数据,并基于分析结果去讨论隐含的科学意义,最后还要撰写科学文章去发表。我们大众关心科学,关心的是最终的产出,不太管过程,所以自然不清楚他们经历的情绪过山车。从今天开始,我们也来试着了解下他们研究过程中的心路历程,也许会有些意外收获哦。

问:能否给我们简单介绍下高速星呢?

答:高速星是银河系内的一类相对于银河系中心运动速度特别快的天体。它们可能是通过三体相互作用得到如此高的速度。一般认为是由于双星系统与银河系中心的超大质量黑洞相互作用,其中一颗星被黑洞俘获,另一颗则获得大部分动量被弹射出银河系中心,从而成为高速星飞向银河系外。

小编注:这是目前普遍认为的高速星形成机制!

问:也就是说,通过研究高速星的性质,可以进一步研究其背后的物理原理,比如超大质量的中心黑洞的影响、黑洞和恒星之间的相互作用等?

答:对,你说的没错。银河系内已经有几十颗星被证认为超高速星,大多是距离太阳系很远的早型恒星。这类星的质量很大,亮度也很高,主要是由于和银河系中心黑洞的相互作用被抛射出来的。通过对这类星的研究,可以更有利于人们认识银河系中心的星族组成、双星比例,甚至推导黑洞的物理性质,研究黑洞与恒星的相互作用等。

问:距离很远,是多远呢?

答:到银河系中心的距离约大于20 kpc。

问:恩,这就好像在古时候,因为交通不发达,很大程度上取决于和来自于另一个地方的旅行者进行交流,从而来推断那个地方的风土人情。离太阳系很远的高速星,就扮演了这个旅行者的角色。看来离太阳系很远的高速星很有用,而我记得你们最新的研究工作中获得了第一批离太阳很近的高速星,那它们的用途呢?

答:这个问题很好。刚才我说了普遍认为的高速星的形成机制。除此之外,还有其他一些可能的形成机制,例如北京大学科维里研究所(KIAA)于清娟与Tremaine 2003年(Yu &Tremaine 2003)做的工作中提到的一种可能——单个恒星与双黑洞的相互作用,或由另一些科研人员(Wang & Han 2009; Napiwotzki& Silva 2012)提出的模型——星系盘上双星系统的瓦解等。

为了区分这些可能的产生机制,就需要对各种光谱型的高速星进行研究。对于从银河系中心黑洞弹射出来的超高速星,由于距离较远,之前观测的大部分都是很亮的B型星;但近些年来在太阳附近观测到了一些晚型高速星(如FGK型,这些星因为比较暗,只能在太阳附近被观测到)。追溯这些星的轨道,就会发现很多都不可能来源于银河系中心,因此只能寻求用其他的形成机制来解释。我们这个工作发现的高速星样本中就包含了多种光谱型。

超高速星逃逸银河系的艺术想象图   图片版权: NASA/Julie Turner

问:明白了。是为了避免以偏概全。你前面提到了早型恒星,但亟需的研究样本应该是包含更多光谱型的。那您能谈谈如何从光谱型定义早型、晚型恒星吗?

答:这里的故事就很有意思啦。1894年,哈佛大学天文台开始对恒星光谱进行系统的归类。归类的主力军是一群女士们。在其中一位女士安妮·坎农的主持下,她们用了40年时间,到1934年共分析了数十万颗恒星的光谱,对恒星光谱进行分类。后来经过调整和合并,按照温度由高到底的次序,将恒星光谱分成O,B,A,F,G,K,M七种光谱型。O,B和A型有时被称为早期型光谱,K和M称为晚期型光谱,这与观测无关,仅是依据20世纪初期的理论而来的,当时认为恒星诞生时是高温的早期型,后来温度下降逐渐演化成为低温的晚期型。虽然现在知道这种说法完全错误,但是这种称呼仍然保留下来。

80年前对恒星进行光谱分类的女士们和先生们 图片来源:http://forum.newordermormon.org/viewtopic.php?t=24057&start=30

小编注:为了记住这种分类方法,80年前努力分析光谱的女生们创立了一个有意思的口诀:Oh, Be A Fine Girl(Guy) Kiss Me!(哦,做个好姑娘(好男孩),吻我吧!)

问:明白了!再回到这篇文章,为了区分高速星各种可能的产生机制,就需要对各种光谱型的高速星进行研究。而这份工作发现的高速星样本中就包含了多种光谱型。能给我简单介绍一下前人工作中都有哪些进展呢?

答:Kollmeier等(2009、2010)的工作试图基于斯隆数字巡天(SDSS)释放的数据寻找金属丰度高的晚型超高速星,但并没有发现,而仅仅对这类超高速星的产生率做了一个限制。国家天文台的李荫碧等(2012)利用SDSS释放的第七批数据,从37万颗恒星中发现了13个贫金属的F型超高速星候选体,这些候选体距离太阳大约3kpc到10kpc。最近,Paladino等(2014)又发现了20个G、K型超高速星候选体,它们同样也是距离太阳位置3-6kpc。值得一提的是,2014年,美国犹他大学助理教授郑政在LAMOST释放的第一批数据中发现了第一颗B型超高速星。所以总体来说,目前发现的晚型超高速星样本还很小,在数目和光谱型上都亟需扩大和丰富。

问:那你们是如何挑选高速星的呢?

答:你需要数据处理,分析光谱。简而言之,分成四步:

  1. 使用IRAF程序包根据可信的LAMOST数据测量出恒星相对于太阳系中心的视线方向速度,并挑选出视线方向速度大于200千米/秒的恒星,并且在SDSS释放的第九批数据中有信噪比足够高的多波段测光数据。这样就使得我们从LAMOST释放的第一批数据中将近一百七十万颗恒星中百里挑一,淘出了一万四千多个候选体。
  2. 在估计恒星距离太阳多远时,我们使用了与金属丰度、恒星颜色相关的经验关系。因此为了能较可靠估计出恒星与太阳间的距离,我们要保证从候选体的LAMOST光谱可靠估计出金属丰度[Fe/H],而且其颜色也在经验关系可靠要求的范围内。基于此,我们排除了十分之九的样本,继续挑出1800个目标。
  3. 根据第二步,我们知道了这些候选体离太阳的距离,候选体相对太阳的视线方向上速度能通过光谱获得。当然我们还需要知道候选体的自行(proper motion,即相对于太阳系中心候选体位置随着时间变化在角度上的改变)。又因为我们知道太阳离银河系中心的距离以及速度信息,所以我们可以推算出这些恒星在银河系坐标下的位置以及速度信息。进一步挑选出在银河系坐标系下速度大于300千米/秒的恒星。
  4. 在剩余的恒星样本中,扣除信噪比低的光谱对应的恒星。
  5. 扣除很可能代表红巨星特征的光谱对应的恒星。

经历上述5步,我们最终获得了28个高速星样本。

该研究团组所研究的高速星的LAMOST光谱示例

问:刚才您提到的第三步中,提到了恒星的自行速度。这些恒星的自行速度是前人工作就提供了的,而前人不能确定它们是否为超高速星,就因为没有它们在视线方向上的速度吗?

答:对,你这个问题问得非常好。之前的工作已经可以从美国海军天文台的CCD照相星表第四批释放(UCAC4)数据推算出恒星的自行速度,但是为什么没有人证认这批星呢?原因就在于没有视向速度。而我们通过LAMOST的数据得到了比较可靠的视向速度信息,再结合自行和光度距离的信息,就得到了这些星在银河系坐标下的三维速度,从而发现这些星的速度都特别大。高速星或者超高速星的“高速”指的是在银河系坐标系下的速度大。

问:真的好像沙里淘金哦!从百万颗恒星中,最后淘出28个。如果用一句话来描述:可能就是希望知道恒星在银河系坐标系下的三维空间位置以及速度信息,而得到这些信息需要从数据中分析和使用一些经验关系。因此要保证获取信息的可靠性,就要保证信息获取来源的可靠性。看来,对于宇宙中的物体,有时候我们想知道的信息就是平常生活中我们最容易获得的对物体运动特征的描述:位置和速度。这些描述是学生从初中物理就开始接触的。但是因为距离我们很遥远,我们只能聪明地借着望远镜获得照片和光谱,然后耐心地坐着电脑前面,分析它们。我想这个故事肯定对很多同学也很有启发。

答:是的。俗话说,不扫一屋,何以扫天下。回顾这一路,我们也是从分析光谱的细节做起。

问:那我想这一个工作,包括郑政的工作都表明了LAMOST的潜力无限,未来将会为我们提供更大而且光谱型更多样的高速星样本。不知道今后你们的研究团组在这一课题上的计划是怎样呢?

答:第一步应该还是继续使用LAMOST发现更大而且光谱型更多样的高速星样本。接着,而且最重要的目的,是基于这个样本去探讨高速星的性质、产生原理,进而会对银河系的结构有更好的认识。

比如,利用一定的银河系引力势模型,我们正在估算这些高速星的轨道,发现很多都不可能来源于银河系中心,而有的可能来源于银河系晕区域(也有可能来自于星流),这都是现有的形成机制解释不了的,需要进一步的研究,寻求别的形成机制来解释。这些解释反过来也加深了我们对银河系形成和演化历史的认识,以及恒星之间、恒星和黑洞之间相互作用的理解。

总而言之,如果用大白话来讲,就是要发挥出LAMOST的实力,不辜负老百姓缴纳的税收。

 

小编注:从百度百科的LAMOST介绍中,我们不难知道:

“LAMOST,大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜是一架横卧南北方向的中星仪式反射施密特望远镜。”“LAMOST在口径、视场和光纤数目三者结合上超过了国际上已经完成或正在进行中的大视场多天体光谱巡天计划,其科学目标集中在河外星系的观测,银河系结构和演化,以及多波段目标证认三个方面。”

 

附注:1kpc,指1000pc。1pc是1秒差距的缩写,用于描述太阳系之外的天文尺度测量单位。1pc对应于日地距离的206264倍,即3.08x1016米。

 

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