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關於恒星的這個經典理論 中國天文學家最新研究提出了挑戰

華夏經緯網 > 文化 > 文明探源      2023-01-19 14:21:47

關於恒星的這個經典理論中國天文學家最新研究提出了挑戰

  變化的恒星初始品質函數的藝術展示圖。右下角展示完成這一觀測的郭守敬望遠鏡(LAMOST)外觀。中科院國家天文臺 供圖

  中新網北京1月19日電 (記者 孫自法)廣袤宇宙的千億星系中無時無刻不在誕生著新的恒星,同一恒星形成區會批量形成許多不同品質的新生恒星。長期以來,“恒星初始品質分佈規律不變”一直是天文界關於恒星演化研究的一個經典理論。

  這一恒星經典理論絕對正確嗎?恒星初始品質分佈規律真的一成不變嗎?中國科學院(中科院)國家天文臺劉超研究員領導的合作團隊最新研究發現,“恒星初始品質分佈規律”會隨著恒星金屬元素含量和年齡發生顯著變化,對其“不變”的經典理論提出挑戰。

  中國天文學家完成的這項刷新人類認知、將對天體物理多個領域研究産生深遠影響的重大科研成果論文,北京時間1月19日淩晨在國際著名學術期刊《自然》發表。論文通訊作者劉超形象科普稱,這也就是説,宇宙不同的地方必須用不同的“尺子”丈量,才能得到正確的測量結果。

  終結恒星初始品質分佈規律是否變化爭議

  中科院國家天文臺介紹説,該台聯合北京師範大學天文和天體物理前沿科學研究所、南京大學、中科院紫金山天文臺等研究人員,發揮國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡(大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡,LAMOST)光譜數據超大樣本優勢,並結合歐洲空間局蓋亞(Gaia)衛星數據,研究發現天體物理學中一個非常重要的基礎概念——“恒星初始品質分佈規律”會隨著恒星金屬元素含量和年齡發生顯著變化,從而對“恒星初始品質分佈規律不變”的經典理論提出挑戰,並刷新了人類對這一基本概念的認知。

  研究團隊在本次研究中發現,他們首次清晰觀測到年輕的小品質恒星數量比例明顯高於年老的恒星。此外,金屬含量越高的恒星家族中小品質恒星數量比例也越多。這是天文學家首次如此清晰地觀測到恒星初始品質分佈規律隨著恒星金屬元素含量和年齡發生了顯著變化,直接導致恒星初始品質分佈規律在宇宙中普適不變的基本假設不再成立,也終結了一直以來天文界關於恒星初始品質分佈規律是否變化的爭議。

  恒星初始品質函數領域國際權威、德國波恩大學教授帕弗爾·庫魯帕(Pavel Kroupa)評價認為,這項研究基於大樣本觀測獲取的高品質數據,揭示了銀河系中恒星初始品質函數與銀河系演化歷史和環境相關,對於深入理解銀河系中不同環境不同時間恒星形成的性質非常重要。

圖中橫坐標顯示恒星星族的金屬元素含量(金屬豐度),縱坐標顯示恒星初始品質函數的形狀。 中科院國家天文臺 供圖

  圖中橫坐標顯示恒星星族的金屬元素含量(金屬豐度),數值越大金屬豐度越高。縱坐標顯示恒星初始品質函數的形狀,α數值越大表示品質較小的恒星比例越高。紅色圓點顯示年老星族α值比較小,即品質較小恒星的比例低;藍色三角形顯示較年輕恒星隨著金屬豐度變高,α值也增加,即品質較小恒星的比例增加。中科院國家天文臺 供圖

  9萬多精細樣本直接獲取恒星初始品質函數

  論文第一作者、中科院國家天文臺博士研究生李佳東解釋説,恒星初始品質分佈規律,天文學上通常稱為恒星初始品質函數,它描述了一群恒星在剛剛誕生時,不同品質的恒星所佔的比例。在整個天體物理研究中,恒星初始品質函數是現代天文學中一個非常基礎的物理概念,對許多關鍵天體物理學問題的研究起到至關重要的作用。

  半個多世紀以來,天文學家通常認為恒星初始品質函數在宇宙各處及各個演化階段是普適不變的,並作為基本假設在星系形成與演化、星團結構和演化、雙星演化,甚至太陽系外行星以及引力波等諸多天體物理研究領域廣泛應用,幾乎成為天體物理教科書中的“經典假設”。

  不過,天文學家近年來通過各種新的觀測,發現恒星初始品質函數很有可能不是普適不變的。論文合作者、南京大學天文係教授張智昱指出,一些跡象顯示,在恒星形成活躍的環境中大品質恒星的比例更高,這意味著恒星初始品質函數可能不是普適的。

  恒星初始品質函數在宇宙各處是否變化成為困擾天文學家的重要問題,需要在銀河系中找到更為直接有力的觀測證據。近年來,隨著郭守敬望遠鏡、蓋亞衛星等中外大型天文設施投入觀測運作,並獲得海量觀測數據,助力中國天文學家發現恒星初始品質函數變化的直接證據。

  研究團隊發揮郭守敬望遠鏡大樣本光譜數據優勢,篩選出迄今最精細的9萬多顆太陽鄰域的恒星樣本,並獲取了每顆恒星的金屬元素含量和品質。結合蓋亞衛星觀測數據,他們首次通過俗稱“數星星”這一最直觀的恒星計數法,對具有不同金屬元素含量和年齡的恒星進行統計,從觀測角度直接獲取了幾乎不依賴於任何模型的恒星初始品質函數。

  宇宙不同地方需要合適“尺子”正確測量

  研究團隊認為,無論是測量宇宙不同階段星系中暗物質和重子物質品質、構建星系化學演化,還是理解恒星形成過程、分析雙星演化的物理機制、探測太陽系外行星,甚至包括研究恒星級引力波事件等一系列天體物理學前沿問題的研究,都將因恒星初始品質函數的變化而受到挑戰。

  劉超以“尺子”作比喻指出:“這如同是一把會隨著環境變化的‘尺子’,不能用同一把‘尺子’丈量宇宙的不同地方。在宇宙不同地方,天文學家需要更換合適的‘尺子’,才能得到正確的測量結果。例如,使用銀河系目前的‘尺子’就無法測量早期的宇宙”。

  論文合作者、中科院紫金山天文臺符曉婷副研究員補充説,如此複雜變化的恒星初始品質函數,對恒星形成理論也提出了嚴峻的挑戰。

  中科院國家天文臺表示,這一原創性成果是中國天文大科學裝置郭守敬望遠鏡在前沿基礎研究領域取得的又一項突破性進展。未來,中國將發射中國空間站工程巡天望遠鏡(CSST),將助力天文學家在銀河系更深遠區域及近鄰星系中進一步驗證該重大發現,為更深入理解恒星初始品質函數和恒星形成的物理過程,提供更加豐富的天文觀測數據。(完)


文章來源:中新網
作者:孫自法  |  責任編輯:虞鷹
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