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

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;對它們的研究，被稱為恒星考古。

日前，我國科學(xué)家利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡的巡天數(shù)據(jù)，挑選出一萬余顆金屬含量不到太陽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)，有利于我國現(xiàn)有地面觀測設(shè)備進(jìn)行高分辨率后續(xù)觀測，也為國內(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，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，中國科學(xué)院國家天文臺趙剛團(tuán)隊利用中國自主設(shè)計并建造的郭守敬望遠(yuǎn)鏡的巡天數(shù)據(jù)，挑選出一萬余顆金屬含量不到太陽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)表在國際期刊《天體物理學(xué)報(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、氧等平時顯而易見的‘非金屬’。”趙剛團(tuán)隊成員、中科院國家天文臺李海寧說：“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：“由于當(dāng)時只有氫、氦和鋰3種化學(xué)元素，第一代恒星可以說在出生時是‘零金屬’的。此后，在不斷成長的過程中，恒星自身又合成了一些新的金屬元素。”

第一代恒星大多個頭龐大、明亮奪目，在結(jié)束短暫一生時，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。

對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)時主要依靠大規(guī)模巡天(測光或者低分辨率光譜觀測)。但因為這類天體非常稀有，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、金屬含量不到太陽十萬分之一的貧金屬星;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，會形成在特定波長產(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特信息。”李海寧說：“我們可以通過測量這些吸收線來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，對于光譜分析技術(shù)要求較高，這也使得目前的觀測手段無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年來許多大型巡天項目的主要科學(xué)目標(biāo)之一?，F(xiàn)在很多國家都有正在進(jìn)行和計劃中的恒星考古計劃。趙剛說：“中國以郭守敬望遠(yuǎn)鏡巡天觀測為契機(jī)，也在該領(lǐng)域逐步活躍起來，并為今后參與相關(guān)恒星考古項目奠定了良好的基礎(chǔ)。”

海量恒星光譜的獲取，對研究宇宙演化意義重大

2009年，我國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，每次觀測可以獲得4000個天體光譜。

李海寧認(rèn)為，郭守敬望遠(yuǎn)鏡的一大優(yōu)勢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。”

“這個貧金屬星亮源表的優(yōu)勢在于既大又亮，非常適合現(xiàn)有地面觀測設(shè)備進(jìn)行高分辨率后續(xù)觀測。”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)計研究的誤差;亮源多則有利于獲取這些貧金屬星的運動學(xué)參數(shù)，從而對銀河系暈的形成歷史開展化學(xué)—運動學(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(金屬含量不到太陽的萬分之一)，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)提供了重要的觀測限制等。

郭守敬望遠(yuǎn)鏡貧金屬星項目是國際上目前效率最高的同類搜尋計劃，項目的實施為國內(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)星觀測結(jié)合形成多維大樣本數(shù)據(jù)，我們將迎來恒星考古的新時代。”趙剛說。

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