天天熱訊:我國科學家新發現挑戰天文學經典理論

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北京時間2023年1月19日凌晨，國際學術期刊《自然》雜志發表了中國科學院國家天文臺劉超研究員帶領的研究團隊的一項重大成果。發揮我國重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST）超大光譜數據樣本優勢，結合歐洲空間局蓋亞（Gaia）衛星數據，研究團隊發現天體物理學中一個非常重要的基礎理論“恒星初始質量分布規律”會隨著恒星金屬元素含量和年齡發生顯著變化，挑戰了恒星初始質量分布規律不變的經典理論，刷新了人類對這一基本概念的認知，這將對天體物理多個領域的研究產生深遠影響。

論文合作者還包括北京師范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單位的研究人員。

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質量的新生恒星。恒星初始質量分布規律，天文學上通常稱為恒星初始質量函數，它描述了一群恒星在剛剛誕生時，不同質量的恒星所占的比例。論文第一作者、國家天文臺博士研究生李佳東解釋說：“在整個天體物理研究中，恒星初始質量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。”

圖為變化的恒星初始質量函數的藝術展示圖。宇宙誕生之初（圍繞中心明亮部分的內環）質量較大的恒星（淺黃色的圓盤）更多；而在較年輕的星族中（外環），質量較小的恒星（紅色的小圓盤）則顯著增加。圖中右下角展示了完成這一觀測的郭守敬望遠鏡（LAMOST）外觀。

半個多世紀以來，天文學家通常認為恒星初始質量函數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”。但是近年來，天文學家通過各種新的觀測，發現恒星初始質量函數很有可能不是普適不變的。論文合作者、南京大學天文系教授張智昱說：“一些跡象顯示，在恒星形成活躍的環境中大質量恒星的比例更高，這意味著恒星初始質量函數可能不是普適的。” 恒星初始質量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LAMOST、Gaia等國內外大型天文設施投入觀測運行，獲得了海量觀測數據，助力我國天文學家發現了恒星初始質量函數變化的直接證據。研究團隊發揮LAMOST大樣本光譜數據優勢，篩選出目前最精細的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量。結合Gaia衛星的觀測數據，研究人員首次通過最直觀的恒星計數法（數星星），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于任何模型的恒星初始質量函數。

研究團隊發現，首次清晰觀測到年輕的小質量恒星數量比例明顯高于年老的恒星。此外他們還發現，金屬含量越高的恒星家族中小質量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質量分布規律隨著恒星金屬元素含量和年齡發生了顯著變化，直接導致恒星初始質量分布規律在宇宙中普適不變的基本假設不再成立，終結了一直以來天文界關于恒星初始質量分布規律是否變化的爭議。

這一突破性成果將對天體物理學多個領域的研究產生影響。無論是測量宇宙不同階段星系中暗物質和重子物質質量、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，都將因恒星初始質量函數的變化而受到挑戰。論文通訊作者劉超研究員解釋：“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。”此外，論文合作者、中國科學院紫金山天文臺符曉婷副研究員補充道：“如此復雜變化的恒星初始質量函數對恒星形成理論也提出了嚴峻的挑戰”。

恒星初始質量函數領域的國際權威，德國波恩大學教授帕弗爾·庫魯帕（Pavel Kroupa）評價該成果：“這項研究基于大樣本觀測獲取的高質量數據，揭示了銀河系中恒星初始質量函數與銀河系演化歷史和環境相關。這對于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。”

這一原創性成果是我國重大科技基礎設施LAMOST在前沿基礎研究取得的又一項突破性進展。未來，我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這一重大發現，為更深入理解恒星初始質量函數和恒星形成的物理過程提供更加豐富的觀測數據。

關鍵詞： 質量函數 天文學家 天體物理