窺探宇宙最古遠(yuǎn)的星河

2019-01-22 11:54:27來(lái)源：人民日?qǐng)?bào)

星空下的郭守敬望遠(yuǎn)鏡。陳穎為攝

138億年間宇宙化學(xué)組成的演化示意圖。資料圖片

浩瀚星河中，有類金屬含量極低的恒星——貧金屬星，它們?nèi)缤钪娴幕瑪y帶了早期的宇宙信息;對(duì)它們的研究，被稱為恒星考古。

日前，我國(guó)科學(xué)家利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡的巡天數(shù)據(jù)，挑選出一萬(wàn)余顆金屬含量不到太陽(yáng)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。這一發(fā)現(xiàn)，有利于我國(guó)現(xiàn)有地面觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行高分辨率后續(xù)觀測(cè)，也為國(guó)內(nèi)外天文界提供了前所未有的大樣本貧金屬星。

和考古學(xué)家通過地質(zhì)遺跡探究早期地球文明一樣，恒星考古是通過古老的恒星探索早期宇宙。

一直以來(lái)，全世界恒星考古學(xué)家們都致力于在銀河系及其鄰居星系里尋找最古老的恒星，從而沿著時(shí)間回溯，窺探最早的銀河系，并嘗試再現(xiàn)大爆炸之后的早期宇宙中，恒星和星系是如何形成且演化的。

那么，什么樣的恒星才是恒星考古者心之所向的古老恒星呢?金屬含量特別低的恒星——貧金屬星就是。

日前，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)趙剛團(tuán)隊(duì)利用中國(guó)自主設(shè)計(jì)并建造的郭守敬望遠(yuǎn)鏡的巡天數(shù)據(jù)，挑選出一萬(wàn)余顆金屬含量不到太陽(yáng)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(guān)論文發(fā)表在國(guó)際期刊《天體物理學(xué)報(bào)(增刊)》上。

金屬含量越低的恒星，代表越早的宇宙進(jìn)化階段

“天文學(xué)上，我們把一切比氦重的元素都叫做金屬，包括碳、氮、氧等平時(shí)顯而易見的‘非金屬’。”趙剛團(tuán)隊(duì)成員、中科院國(guó)家天文臺(tái)李海寧說(shuō)：“這些金屬元素不僅在天文學(xué)中非常重要，也是生命起源的必要條件。”

宇宙誕生之初，大爆炸產(chǎn)生了大量的氫、氦和極其微量的鋰。在這樣的環(huán)境下，宇宙中的第一代恒星誕生了。

李海寧說(shuō)：“由于當(dāng)時(shí)只有氫、氦和鋰3種化學(xué)元素，第一代恒星可以說(shuō)在出生時(shí)是‘零金屬’的。此后，在不斷成長(zhǎng)的過程中，恒星自身又合成了一些新的金屬元素。”

第一代恒星大多個(gè)頭龐大、明亮奪目，在結(jié)束短暫一生時(shí)，通過超新星爆發(fā)將其制造的各種金屬元素噴射到四面八方。這些金屬元素埋藏在星際塵埃中，孕育出第二代恒星。

第二代恒星往往會(huì)從第一代中“繼承”并生產(chǎn)更多的金屬元素，再“遺傳”給下一代。隨著宇宙不斷變“老”，金屬的“雪球”越滾越大。今天新生恒星的金屬含量比130億年前的祖輩恒星高出200萬(wàn)倍。所以，金屬含量越低的恒星，就代表著越早的宇宙進(jìn)化階段。

“受限于觀測(cè)能力，現(xiàn)在可以‘夠得著’的古老恒星，都是第二代恒星。”李海寧說(shuō)。

對(duì)貧金屬星的研究有助于解開一系列關(guān)于圍繞早期宇宙、元素起源、第一代恒星和銀河系演化的科學(xué)問題，如金屬元素是怎樣在宇宙中產(chǎn)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。

貧金屬星極為稀少，很難獲得可細(xì)致研究的樣本

尋找貧金屬星的歷史可以追溯到上世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)主要依靠大規(guī)模巡天(測(cè)光或者低分辨率光譜觀測(cè))。但因?yàn)檫@類天體非常稀有，所以搜尋過程基本等同于大海撈針。盡管如此，到目前為止還是取得了一系列重要的成果。其中包括發(fā)現(xiàn)了金屬含量超低的第二代恒星、金屬含量不到太陽(yáng)十萬(wàn)分之一的貧金屬星;通過大樣本貧金屬星發(fā)現(xiàn)了銀河系有兩個(gè)暈成分;在近鄰矮星系發(fā)現(xiàn)揭示了雙中子星并合證據(jù)的貧金屬星等。

“當(dāng)恒星內(nèi)部熾熱的星光穿過外層較冷的大氣時(shí)，會(huì)形成在特定波長(zhǎng)產(chǎn)生吸收特征的吸收譜，每一條吸收線都隱藏著某種元素的獨(dú)特信息。”李海寧說(shuō)：“我們可以通過測(cè)量這些吸收線來(lái)破解保留在貧金屬星大氣中的古老氣體成分。”

困難的是，貧金屬星的金屬譜線非常弱，對(duì)于光譜分析技術(shù)要求較高，這也使得目前的觀測(cè)手段無(wú)法獲取過于暗弱的貧金屬星的高分辨率光譜和分析結(jié)果，因此適合細(xì)致研究的貧金屬星樣本非常有限。

盡管難度巨大，貧金屬星的重要性仍使其成為近20年來(lái)許多大型巡天項(xiàng)目的主要科學(xué)目標(biāo)之一。現(xiàn)在很多國(guó)家都有正在進(jìn)行和計(jì)劃中的恒星考古計(jì)劃。趙剛說(shuō)：“中國(guó)以郭守敬望遠(yuǎn)鏡巡天觀測(cè)為契機(jī)，也在該領(lǐng)域逐步活躍起來(lái)，并為今后參與相關(guān)恒星考古項(xiàng)目奠定了良好的基礎(chǔ)。”

海量恒星光譜的獲取，對(duì)研究宇宙演化意義重大

2009年，我國(guó)建成世界上光譜獲取率最高的光譜巡天望遠(yuǎn)鏡——郭守敬望遠(yuǎn)鏡，每次觀測(cè)可以獲得4000個(gè)天體光譜。

李海寧認(rèn)為，郭守敬望遠(yuǎn)鏡的一大優(yōu)勢(shì)就在于它能獲取前所未有的海量恒星光譜，相當(dāng)于為尋找貧金屬星提供了一片無(wú)比廣闊的恒星海洋，“大大提高了我們找到更多這類稀有天體的可能性。”

“這個(gè)貧金屬星亮源表的優(yōu)勢(shì)在于既大又亮，非常適合現(xiàn)有地面觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行高分辨率后續(xù)觀測(cè)。”李海寧進(jìn)一步解釋道，“大樣本可以顯著擴(kuò)大現(xiàn)有貧金屬星樣本的數(shù)量，并減小統(tǒng)計(jì)研究的誤差;亮源多則有利于獲取這些貧金屬星的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，從而對(duì)銀河系暈的形成歷史開展化學(xué)—運(yùn)動(dòng)學(xué)多維空間的研究。”

由于儀器分布，現(xiàn)有貧金屬星高分辨率觀測(cè)樣本具有顯著的集中在南半球的選擇效應(yīng)，郭守敬望遠(yuǎn)鏡貧金屬星樣本的出現(xiàn)，將有望解決南北半球樣本分布不均衡的問題。

后續(xù)高分辨率光譜觀測(cè)與研究正在進(jìn)行中，并已取得一系列重要發(fā)現(xiàn)。科研人員首次系統(tǒng)搜尋并研究鋰元素豐度異常超高的貧金屬星，構(gòu)建了目前最大的此類樣本，并首次在銀河系場(chǎng)星中發(fā)現(xiàn)鋰元素豐度超高的亞巨星;發(fā)現(xiàn)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(yáng)的萬(wàn)分之一)，結(jié)合超新星理論模型研究分析，為此類天體的前身星性質(zhì)提供了重要的觀測(cè)限制等。

郭守敬望遠(yuǎn)鏡貧金屬星項(xiàng)目是國(guó)際上目前效率最高的同類搜尋計(jì)劃，項(xiàng)目的實(shí)施為國(guó)內(nèi)外天文界提供了前所未有的大樣本貧金屬星。“基于這些樣本與蓋亞衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)合形成多維大樣本數(shù)據(jù)，我們將迎來(lái)恒星考古的新時(shí)代。”趙剛說(shuō)。吳月輝

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