窥探宇宙最古远的星河

~ 星空下的郭守敬望远镜。陈颖为摄
38亿年间宇宙化学组成的演化示意图。资料图片
在浩瀚星河中，有类金属含量极低的恒星——贫金属星，它们如同宇宙的化石，携带了早期的宇宙信息；对它们的研究，被称为恒星考古。
和考古学家通过地质遗迹探究早期地球文明一样，恒星考古是通过古老的恒星探索早期宇宙。
一直以来，全世界恒星考古学家们都致力于在银河系及其邻居星系里寻找最古老的恒星，从而沿着时间回溯，窥探最早的银河系，并尝试再现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。
什么样的恒星才是恒星考古者心之所向的古老恒星呢？金属含量特别低的恒星——贫金属星就是。
日前，中国科学院国家天文台赵刚团队利用中国自主设计并建造的郭守敬望远镜的巡天数据，挑选出一万余颗金属含量不到太阳百分之一的贫金属星候选体，形成了目前世界上最大的贫金属星亮源表，相关论文发表在国际期刊《天体物理学报（增刊）》上。
金属含量越低的恒星，代表越早的宇宙进化阶段。
“天文学上，我们把一切比氦重的元素都叫做金属，包括碳、氮、氧等平时显而易见的‘非金属’。”赵刚团队成员、中科院国家天文台李海宁说：“这些金属元素不仅在天文学中非常重要，也是生命起源的必要条件。”
宇宙诞生之初，大爆炸产生了大量的氢、氦和极其微量的锂。在这样的环境下，宇宙中的第一代恒星诞生了。
李海宁说：“由于当时只有氢、氦和锂3种化学元素，第一代恒星可以说在出生时是‘零金属’的。此后，在不断成长的过程中，恒星自身又合成了一些新的金属元素。”
第一代恒星大多个头庞大、明亮夺目，在结束短暂一生时，通过超新星爆发将其制造的各种金属元素喷射到四面八方。这些金属元素埋藏在星际尘埃中，孕育出第二代恒星。
第二代恒星往往会从第一代中“继承”并生产更多的金属元素，再“遗传”给下一代。随着宇宙不断变“老”，金属的“雪球”越滚越大。今天新生恒星的金属含量比130亿年前的祖辈恒星高出200万倍。所以，金属含量越低的恒星，就代表着越早的宇宙进化阶段。
“受限于观测能力，现在可以‘够得着’的古老恒星，都是第二代恒星。”李海宁说。
对贫金属星的研究有助于解开一系列关于围绕早期宇宙、元素起源、第一代恒星和银河系演化的科学问题，如金属元素是怎样在宇宙中产生和积累的、第一代恒星和超新星是什么样子的、银河系的形成和演化历史是怎样的。
贫金属星极为稀少，很难获得可细致研究的样本。
寻找贫金属星的历史可以追溯到上世纪80年代，当时主要依靠大规模巡天（测光或者低分辨率光谱观测）。但因为这类天体非常稀有，所以搜寻过程基本等同于大海捞针。尽管如此，到目前为止还是取得了一系列重要的成果。其中包括发现了金属含量超低的第二代恒星、金属含量不到太阳十万分之一贫金属星；通过大样本贫金属星发现了银河系有两个晕成分；在近邻矮星系发现揭示了双中子星并合证据的贫金属星等。
“当恒星内部炽热的星光穿过外层较冷的大气时，会形成在特定波长产生吸收特征的吸收谱，每一条吸收线都隐藏着某种元素的独特信息。”李海宁说：“我们可以通过测量这些吸收线来破解保留在贫金属星大气中的古老气体成分。”
困难的是，贫金属星的金属谱线非常弱，对于光谱分析技术要求较高，这也使得目前的观测手段无法获取过于暗弱的贫金属星的高分辨率光谱和分析结果，因此适合细致研究的贫金属星样本非常有限。
尽管难度巨大，贫金属星的重要性仍使其成为近20年来许多大型巡天项目的主要科学目标之一。现在很多国家都有正在进行和计划中的恒星考古计划。赵刚说：“中国以郭守敬望远镜巡天观测为契机，也在该领域逐步活跃起来，并为今后参与相关恒星考古项目奠定了良好的基础。”
海量恒星光谱的获取，对研究宇宙演化意义重大。
2009年，我国建成世界上光谱获取率最高的光谱巡天望远镜——郭守敬望远镜，每次观测可以获得4000个天体光谱。
李海宁认为，郭守敬望远镜的一大优势就在于它能获取前所未有的海量恒星光谱，相当于为寻找贫金属星提供了一片无比广阔的恒星海洋，“大大提高了我们找到更多这类稀有天体的可能性。”
“这个贫金属星亮源表的优势在于既大又亮，非常适合现有地面观测设备进行高分辨率后续观测。”李海宁进一步解释道，“大样本可以显著扩大现有贫金属星样本的数量，并减小统计研究的误差；亮源多则有利于获取这些贫金属星的运动学参数，从而对银河系晕的形成历史开展化学—运动学多维空间的研究。”
由于仪器分布，现有贫金属星高分辨率观测样本具有显著的集中在南半球的选择效应，郭守敬望远镜贫金属星样本的出现，将有望解决南北半球样本分布不均衡的问题。
后续高分辨率光谱观测与研究正在进行中，并已取得一系列重要发现。科研人员首次系统搜寻并研究锂元素丰度异常超高的贫金属星，构建了目前最大的此类样本，并首次在银河系场星中发现锂元素丰度超高的亚巨星；发现了第五颗碳氮氧钠镁等多种元素异常超丰的超贫金属星（金属含量不到太阳的万分之一），结合超新星理论模型研究分析，为此类天体的前身星性质提供了重要的观测限制等。
郭守敬望远镜贫金属星项目是国际上目前效率最高的同类搜寻计划，项目的实施为国内外天文界提供了前所未有的大样本贫金属星。“基于这些样本与盖亚卫星观测结合形成多维大样本数据，我们将迎来恒星考古的新时代。”赵刚说。

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