恒星考古:“探”为“观”止

[ 录入者:zhangms | 时间:2019-01-17 12:14:20 | 作者:丁佳 池涵 | 来源:科学网 | 浏览:4241次 ]

时间之矢:从宇宙起源到现在及以后,跨越了整个历史的主要时期。宇宙演化是研究逐渐稀薄和冷却的宇宙中,能量、物质和生命的组合和组成的许多变化的一门学科。而恒星考古是研究宇宙演化的重要手段。 图片来源:NASA

宇宙之大,深空探测器能够触摸的边界实在有限;想要看到探测器“探”不到的远方,人们还需要借助于各种各样的望远镜来“观”。

本报记者 丁佳 实习生 池涵

2019年新年伊始,美国国家航空航天局(NASA)发布了“新视野”号深空探测器拍下的柯伊伯带小行星MU69(绰号“Ultima Thule”,即“天涯海角”)的照片,第一次近距离将这位太阳系边缘的远古邻居呈现在世人面前。

探寻宇宙的早期历史,就像寻找人类起源一样令人着迷。然而宇宙之大,深空探测器能够触摸的边界实在有限;想要看到探测器“探”不到的远方,人们还需要借助于各种各样的望远镜来“观”。

在大洋彼岸的中国,一群从事恒星考古的天文学家就在孜孜不倦地寻找另一种“宇宙化石”。最近,中国科学院国家天文台研究员赵刚团队利用中国自主设计并建造的光学望远镜LAMOST的巡天数据,挑选出一万余颗金属含量不到太阳百分之一的贫金属星候选体,形成了目前世界上最大的贫金属星亮源表,相关论文发表在国际期刊《天体物理学报(增刊)》上。

那么,这些金属含量特别低的恒星,究竟有着怎样的奥秘?它们对研究宇宙演化史而言,又有着怎样的意义?

搜寻宇宙“化石”

顾名思义,贫金属星就是金属元素含量非常低的恒星。在宇宙形成的最初几分钟,仅有的化学元素是氢、氦和极其微量的锂,而宇宙中其他化学元素都是通过恒星这个“宇宙熔炉”产生的。

所以,大爆炸之后2亿年左右诞生的第一代恒星在出生时是“零金属”的,它们合成了一些新的金属元素,并在死亡的时候通过超新星爆发的方式,将这些元素抛射到星际介质中,从而实现了化学增丰。

这种增丰过程的细节错综复杂,简而言之,在被增丰的星际介质中诞生的下一代恒星会“继承”这些金属元素,并生产更多的金属元素,再“遗传”给下一代。

如此周而复始,随着宇宙不断变老,金属的雪球越滚越大,每一代新诞生恒星中的金属含量都会比它的上一辈多一些。今天,新生恒星的金属含量要比130亿年前的祖辈恒星高出200万倍。

因此,金属含量更低的恒星,就意味着它们诞生于更早的宇宙进化阶段。

贫金属星的研究有助于解开一系列围绕早期宇宙、元素起源、第一代恒星和银河系演化的科学问题。如现存的古老恒星中保留了哪些早期宇宙的遗迹?金属元素是怎样在宇宙中产生和积累的?第一代恒星和超新星是什么样子的?银河系的形成和演化历史是怎样的?

“因此,恒星考古的主要任务就是搜寻和研究贫金属星。”赵刚团队成员、中科院国家天文台副研究员李海宁告诉《中国科学报》。

星海“捞针”

从上世纪80年代以来,恒星考古取得了一系列重要的成果,例如发现了金属含量超低的第二代恒星,包括金属含量不到太阳十万分之一的贫金属星,以及检测不到铁含量的贫金属星;通过大样本贫金属星发现了银河系有两个晕成分;在近邻矮星系发现了揭示双中子星并合证据的贫金属星,等等。

然而,与其他领域的研究相比,这仍然是一项十分困难的工作。李海宁坦言,贫金属星这类天体非常稀有,基本等同于在星海里面捞针。时至今日,现有贫金属星样本数量仍然非常有限。

在一次讲座上,李海宁曾展示过两张图,第一张图是太阳附近用望远镜拍到的恒星,密密麻麻地占了一整张图;而第二张图是第一张图里挑出来的贫金属星,只剩下了稀疏的四个红点。

美国麻省理工大学物理系副教授Anna Frebel也曾在《科学美国人》杂志的一篇文章中细数了一系列她在使用智利卡内基天文台麦哲伦望远镜搜寻贫金属星数据时遇到的困难,除了价格昂贵和地球自转造成的观测中断,还包括信号强度等问题。

尽管难度巨大,但贫金属星的重要性也使其成为近二十年来许多大型巡天项目的主要科学目标之一。现在很多国家都有正在进行和计划中的恒星考古计划。比如已经开展的汉堡/欧洲南方天文台巡天HES、美国的斯隆数字巡天SDSS、澳大利亚的SkyMapper巡天,以及未来将开展的日本斯巴鲁望远镜主焦点光谱仪Subaru\PFS计划、欧洲4米多目标光谱望远镜4MOST项目等。

近几年来,中国也以LAMOST巡天为契机,在该领域逐渐活跃起来。

银河“淘宝”

LAMOST,全称大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜,是我国2009年建成的世界上口径最大、光谱获取率最高的光谱巡天望远镜,每次观测可以获得4000个天体光谱。

LAMOST巡天获取了数以百万计的银河系恒星光谱,是大天区面积下搜寻珍稀的宇宙化石贫金属星的极佳机会。于是,赵刚研究团队利用LAMOST开展了国际上最大规模的贫金属星搜寻项目。

李海宁等人利用LAMOST巡天数据挑选出一万余颗金属含量不到太阳百分之一的贫金属星候选体,形成了目前世界上最大的贫金属星亮源表。

“这个贫金属星亮源表的优势在于既大又亮。”李海宁说,一方面,LAMOST大天区的优势为研究工作提供了大样本,可以显著扩大现有贫金属星样本的数量,并减小统计研究的误差;另一方面,LAMOST搜索到的结果亮源多,不仅有利于进行后续高分辨率光谱观测,而且也有利于获取这些贫金属星的运动学参数,从而对银河系晕的形成历史开展化学—运动学多维空间的研究。

研究人员认为,LAMOST贫金属星亮源表无疑将成为利用大样本贫金属星系统研究银河系早期演化与银晕起源的极其宝贵的传世资源。美国圣母大学天体物理系主任、基特峰天文台前台长Timothy Beers教授评价称:“LAMOST贫金属星亮源表是该研究领域一个非常重要且具有极高价值的贡献。”

基于LAMOST贫金属星亮源表的后续高分辨率光谱观测与研究工作也正在顺利进行中,并且已经取得了一系列重要的发现。

例如,科研人员首次系统搜寻并研究锂元素丰度异常超高的贫金属星,构建了目前最大的此类样本,并首次在银河系场星中发现锂元素丰度超高的亚巨星,向经典小质量恒星演化模型提出了挑战;发现了第五颗碳氮氧钠镁等多种元素异常超丰的超贫金属星(金属含量不到太阳的万分之一),结合超新星理论模型研究分析,为此类天体的前身星性质提供了重要的观测限制。

李海宁说:“贫金属星多分布在银河系晕,表明银晕是银河系几个成分中比较年老的成分,也就是它形成的时间更早。但是关于银晕的起源我们并不是很清楚,而这也正是我们需要对大样本贫金属星进行研究的原因。”

当然,除了利用LAMOST的贫金属星样本开展研究外,中国也在积极寻求国际合作,目前在斯巴鲁望远镜主焦点光谱仪、美国30米望远镜等下一代可以开展恒星考古的国际项目中,中国均有参与。

LAMOST获取的前所未有的海量恒星光谱,为科学家星海“淘宝”提供了一个广阔的信息海洋。这一个个令人叹为观止的天文计划,能否为人类开启恒星考古的新时代?我们不妨拭目以待。

相关论文信息:DOI: 10.3847/1538-4365/aada4a

《中国科学报》 (2018-01-15 第8版 探索发现)

 

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