關(guān)于恒星的這個經(jīng)典理論 中國天文學(xué)家最新研究提出了挑戰(zhàn)

　　變化的恒星初始質(zhì)量函數(shù)的藝術(shù)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(wǎng)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(qū)會批量形成許多不同質(zhì)量的新生恒星。長期以來，“恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律不變”一直是天文界關(guān)于恒星演化研究的一個經(jīng)典理論。

　　這一恒星經(jīng)典理論絕對正確嗎?恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律真的一成不變嗎?中國科學(xué)院(中科院)國家天文臺劉超研究員領(lǐng)導(dǎo)的合作團隊最新研究發(fā)現(xiàn)，“恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律”會隨著恒星金屬元素含量和年齡發(fā)生顯著變化，對其“不變”的經(jīng)典理論提出挑戰(zhàn)。

　　中國天文學(xué)家完成的這項刷新人類認(rèn)知、將對天體物理多個領(lǐng)域研究產(chǎn)生深遠影響的重大科研成果論文，北京時間1月19日凌晨在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。論文通訊作者劉超形象科普稱，這也就是說，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(jié)果。

　　終結(jié)恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律是否變化爭議

　　中科院國家天文臺介紹說，該臺聯(lián)合北京師范大學(xué)天文和天體物理前沿科學(xué)研究所、南京大學(xué)、中科院紫金山天文臺等研究人員，發(fā)揮國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠鏡(大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠鏡，LAMOST)光譜數(shù)據(jù)超大樣本優(yōu)勢，并結(jié)合歐洲空間局蓋亞(Gaia)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)天體物理學(xué)中一個非常重要的基礎(chǔ)概念——“恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律”會隨著恒星金屬元素含量和年齡發(fā)生顯著變化，從而對“恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律不變”的經(jīng)典理論提出挑戰(zhàn)，并刷新了人類對這一基本概念的認(rèn)知。

　　研究團隊在本次研究中發(fā)現(xiàn)，他們首次清晰觀測到年輕的小質(zhì)量恒星數(shù)量比例明顯高于年老的恒星。此外，金屬含量越高的恒星家族中小質(zhì)量恒星數(shù)量比例也越多。這是天文學(xué)家首次如此清晰地觀測到恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律隨著恒星金屬元素含量和年齡發(fā)生了顯著變化，直接導(dǎo)致恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律在宇宙中普適不變的基本假設(shè)不再成立，也終結(jié)了一直以來天文界關(guān)于恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律是否變化的爭議。

　　恒星初始質(zhì)量函數(shù)領(lǐng)域國際權(quán)威、德國波恩大學(xué)教授帕弗爾·庫魯帕(Pavel Kroupa)評價認(rèn)為，這項研究基于大樣本觀測獲取的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，揭示了銀河系中恒星初始質(zhì)量函數(shù)與銀河系演化歷史和環(huán)境相關(guān)，對于深入理解銀河系中不同環(huán)境不同時間恒星形成的性質(zhì)非常重要。

　　圖中橫坐標(biāo)顯示恒星星族的金屬元素含量(金屬豐度)，數(shù)值越大金屬豐度越高?？v坐標(biāo)顯示恒星初始質(zhì)量函數(shù)的形狀，α數(shù)值越大表示質(zhì)量較小的恒星比例越高。紅色圓點顯示年老星族α值比較小，即質(zhì)量較小恒星的比例低;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，即質(zhì)量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質(zhì)量函數(shù)

　　論文第一作者、中科院國家天文臺博士研究生李佳東解釋說，恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律，天文學(xué)上通常稱為恒星初始質(zhì)量函數(shù)，它描述了一群恒星在剛剛誕生時，不同質(zhì)量的恒星所占的比例。在整個天體物理研究中，恒星初始質(zhì)量函數(shù)是現(xiàn)代天文學(xué)中一個非?；A(chǔ)的物理概念，對許多關(guān)鍵天體物理學(xué)問題的研究起到至關(guān)重要的作用。

　　半個多世紀(jì)以來，天文學(xué)家通常認(rèn)為恒星初始質(zhì)量函數(shù)在宇宙各處及各個演化階段是普適不變的，并作為基本假設(shè)在星系形成與演化、星團結(jié)構(gòu)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(lǐng)域廣泛應(yīng)用，幾乎成為天體物理教科書中的“經(jīng)典假設(shè)”。

　　不過，天文學(xué)家近年來通過各種新的觀測，發(fā)現(xiàn)恒星初始質(zhì)量函數(shù)很有可能不是普適不變的。論文合作者、南京大學(xué)天文系教授張智昱指出，一些跡象顯示，在恒星形成活躍的環(huán)境中大質(zhì)量恒星的比例更高，這意味著恒星初始質(zhì)量函數(shù)可能不是普適的。

　　恒星初始質(zhì)量函數(shù)在宇宙各處是否變化成為困擾天文學(xué)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(jù)。近年來，隨著郭守敬望遠鏡、蓋亞衛(wèi)星等中外大型天文設(shè)施投入觀測運行，并獲得海量觀測數(shù)據(jù)，助力中國天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)恒星初始質(zhì)量函數(shù)變化的直接證據(jù)。

　　研究團隊發(fā)揮郭守敬望遠鏡大樣本光譜數(shù)據(jù)優(yōu)勢，篩選出迄今最精細的9萬多顆太陽鄰域的恒星樣本，并獲取了每顆恒星的金屬元素含量和質(zhì)量。結(jié)合蓋亞衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，他們首次通過俗稱“數(shù)星星”這一最直觀的恒星計數(shù)法，對具有不同金屬元素含量和年齡的恒星進行統(tǒng)計，從觀測角度直接獲取了幾乎不依賴于任何模型的恒星初始質(zhì)量函數(shù)。

　　宇宙不同地方需要合適“尺子”正確測量

　　研究團隊認(rèn)為，無論是測量宇宙不同階段星系中暗物質(zhì)和重子物質(zhì)質(zhì)量、構(gòu)建星系化學(xué)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(xué)前沿問題的研究，都將因恒星初始質(zhì)量函數(shù)的變化而受到挑戰(zhàn)。

　　劉超以“尺子”作比喻指出：“這如同是一把會隨著環(huán)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(xué)家需要更換合適的‘尺子’，才能得到正確的測量結(jié)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說，如此復(fù)雜變化的恒星初始質(zhì)量函數(shù)，對恒星形成理論也提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

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