利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡巡天觀測(cè)數(shù)據(jù),形成世界最大的貧金屬星亮源表
窺探宇宙最古遠(yuǎn)的星河
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
核心閱讀
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?,攜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(guò)地質(zhì)遺跡探究早期地球文明一樣,恒星考古是通過(guò)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(jiàn)的‘非金屬’?!壁w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(guò)程中,恒星自身又合成了一些新的金屬元素?!?/p>
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(guò)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?!崩詈幷f(shuō)。
對(duì)貧金屬星的研究有助于解開(kāi)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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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?,F(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)?!?/p>
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)?!崩詈庍M(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(kāi)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(wèn)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)??蒲腥藛T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?!盎谶@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)。(記者 吳月輝)
-
大數(shù)據(jù)"坑熟客",技術(shù)之罪需規(guī)則規(guī)避
2018-03-02 08:58:39
-
高質(zhì)量發(fā)展,怎么消除“游離感”?
2018-03-02 08:58:39
-
學(xué)校只剩一名學(xué)生,她卻堅(jiān)守了18年
2018-03-01 14:40:53
-
有重大變動(dòng)!騎共享單車的一定要注意了
2018-03-01 14:40:53
-
2018年,樓市會(huì)有哪些新變化?
2018-03-01 09:01:20