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天文大數據“重塑”銀河系考古

2022-03-31 文匯報
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LAMOST與Gaia 圖源/LAMOST運行和發展中心
  千百年來,人們為了認識這廣袤銀河和浩瀚宇宙,從未停止過探索的腳步。如今,一只只瞄向宇宙的“觀天巨眼”幫助科學家逐步看清了銀河系早期的形成演化歷史,翻開了銀河史冊的重要篇章。作為盤星系的普通代表,銀河系史冊將成為天文學家理解星系形成和演化,追溯從極早期宇宙一直到今天所發生的精彩故事的經典之作。
  此次,助力天文學家揭示銀河系塵封歷史的“功臣”有兩位:一位是我國自主研制、中科院國家天文臺運行的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡(LAMOST),另一位則是歐洲空間航天局天體測量衛星蓋亞望遠鏡(Gaia)。它們一個是地面望遠鏡,一個是空間衛星,就是這樣的天地牽手、珠聯璧合,才有了今天刷新銀河系認知的新突破。

  天文學家正逐步打破“只緣身在此山中,不識廬山真面目”的限制,不斷認清銀河系的全貌和銀河系形成與演化的秘史。LAMOST與Gaia的強強聯手,將使天文學家迎來重塑銀河系歷史真相的黃金時期。

  兩把大數據“密鑰”

  開啟銀河系塵封歷史

  銀河系是星系考古學研究的重點實驗室,而恒星又是銀河系考古的天然化石——恒星表面的化學元素含量完整記錄了其誕生時的銀河系星際環境的化學組成;恒星運動相似性也為天文學家破解恒星起源問題提供了重要線索。因此,實現對銀河系集成和演化全面認識的關鍵,在于需要獲取銀河系中數量足夠多、分布足夠廣、足夠有代表性的恒星位置、運動、年齡及化學組成等信息。

  LAMOST開展的銀河系光譜巡天項目,是目前世界上正在運行的最大的恒星光譜巡天項目。過去10年間,它已獲取上千萬條光譜數據,為揭示銀河系結構和演化提供了史無前例的光譜數據基石。而歐空局于2013年12月發射的Gaia衛星,則為天文學家提供了14億顆恒星的高精度位置和移動地圖。這成為天文學家開啟銀河系塵封歷史的寶貴密鑰。

  大樣本精確恒星年齡

  LAMOST展現看家本領

  作為銀河系考古學研究的前提,恒星年齡的精確測定至關重要。但由于恒星年齡無法直接測量,只能通過將實測恒星參數與理論恒星演化模型進行對比的方式來估算,因此它又是最難以精確獲取的信息,也可以說是天文學領域最難精確測定的物理量之一。

  近幾年來,大規模光譜巡天觀測提供的大樣本恒星年齡,促使銀河系考古學研究得到了迅速發展,而LA MOST光譜巡天則是該方向的主要探路者之一。

  盡管如此,過去研究所獲取的大樣本恒星典型年齡絕大多數誤差在20%以上,而年齡誤差小于10%的恒星樣本則少得可憐。而且,樣本的空間和參數范圍也十分受限。

  亞巨星是一種處于由主序演化階段向紅巨星演化階段短暫過渡演化過程的恒星。在亞巨星的演化階段,恒星的可觀測參數,尤其是亮度,對于其初始質量和年齡較為敏感,因此這些恒星的年齡相對容易被精確測定。

  但是,由于恒星在亞巨星階段的演化十分迅速,這導致可觀測到的亞巨星數量相當稀少。因此,篩選和構建大樣本的亞巨星,就需要大規模的巡天觀測普查,而這正是LAMOST的看家本領。近年來,LAMOST的大規模光譜巡天觀測提供了大樣本恒星年齡,促使銀河系考古學研究得到了迅速發展。

  探尋銀河系兒時伙伴

  期待望遠鏡更多寶藏數據

  向茂盛博士和漢斯·瓦爾特·瑞克斯教授依托LA MOST巡天光譜數據獲取了700萬顆恒星的高精度大氣參數,并利用Gaia巡天數據得到高精度的恒星光度和運動信息,在此基礎上篩選和構建了一個包含25萬顆亞巨星的精確恒星年齡樣本,平均年齡精度為7%,金屬豐度覆蓋范圍從-2.5(太陽金屬含量的1/300)到0.5(太陽金屬含量的3倍),空間覆蓋范圍達3萬光年。

  這是首次在銀河系中如此大的空間范圍和如此廣的金屬豐度范圍獲取目前最精確的大樣本恒星年齡,這幅銀河系恒星年齡“巨型圖”稱得上銀河系考古學研究的寶藏數據。

  以它們作為研究對象,天文學家刻畫出了這幅清晰的早期銀河系形成和演化圖像,從年老厚盤到銀暈,再到夾心薄盤的銀河成長歷程在時光的流轉中逐一被還原。

  然而,我們目前還不清楚在極其遙遠的宇宙深處,是否普遍存在跟早期銀河系類似的星系,即那些早已失散了的銀河系“兒時伙伴”?;蛟S不久的將來,正在地日拉格朗日點L2軌道上開展緊鑼密鼓測試的詹姆斯·韋布望遠鏡將會給出答案。

打印 責任編輯:侯茜

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