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天文大数据“重塑”银河系考古

2022-03-31 文汇报
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LAMOST与Gaia 图源/LAMOST运行和发展中心
  千百年来,人们为了认识这广袤银河和浩瀚宇宙,从未停止过探索的脚步。如今,一只只瞄向宇宙的“观天巨眼”帮助科学家逐步看清了银河系早期的形成演化历史,翻开了银河史册的重要篇章。作为盘星系的普通代表,银河系史册将成为天文学家理解星系形成和演化,追溯从极早期宇宙一直到今天所发生的精彩故事的经典之作。
  此次,助力天文学家揭示银河系尘封历史的“功臣”有两位:一位是我国自主研制、中科院国家天文台运行的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜(LAMOST),另一位则是欧洲空间航天局天体测量卫星盖亚望远镜(Gaia)。它们一个是地面望远镜,一个是空间卫星,就是这样的天地牵手、珠联璧合,才有了今天刷新银河系认知的新突破。

  天文学家正逐步打破“只缘身在此山中,不识庐山真面目”的限制,不断认清银河系的全貌和银河系形成与演化的秘史。LAMOST与Gaia的强强联手,将使天文学家迎来重塑银河系历史真相的黄金时期。

  两把大数据“密钥”

  开启银河系尘封历史

  银河系是星系考古学研究的重点实验室,而恒星又是银河系考古的天然化石——恒星表面的化学元素含量完整记录了其诞生时的银河系星际环境的化学组成;恒星运动相似性也为天文学家破解恒星起源问题提供了重要线索。因此,实现对银河系集成和演化全面认识的关键,在于需要获取银河系中数量足够多、分布足够广、足够有代表性的恒星位置、运动、年龄及化学组成等信息。

  LAMOST开展的银河系光谱巡天项目,是目前世界上正在运行的最大的恒星光谱巡天项目。过去10年间,它已获取上千万条光谱数据,为揭示银河系结构和演化提供了史无前例的光谱数据基石。而欧空局于2013年12月发射的Gaia卫星,则为天文学家提供了14亿颗恒星的高精度位置和移动地图。这成为天文学家开启银河系尘封历史的宝贵密钥。

  大样本精确恒星年龄

  LAMOST展现看家本领

  作为银河系考古学研究的前提,恒星年龄的精确测定至关重要。但由于恒星年龄无法直接测量,只能通过将实测恒星参数与理论恒星演化模型进行对比的方式来估算,因此它又是最难以精确获取的信息,也可以说是天文学领域最难精确测定的物理量之一。

  近几年来,大规模光谱巡天观测提供的大样本恒星年龄,促使银河系考古学研究得到了迅速发展,而LA MOST光谱巡天则是该方向的主要探路者之一。

  尽管如此,过去研究所获取的大样本恒星典型年龄绝大多数误差在20%以上,而年龄误差小于10%的恒星样本则少得可怜。而且,样本的空间和参数范围也十分受限。

  亚巨星是一种处于由主序演化阶段向红巨星演化阶段短暂过渡演化过程的恒星。在亚巨星的演化阶段,恒星的可观测参数,尤其是亮度,对于其初始质量和年龄较为敏感,因此这些恒星的年龄相对容易被精确测定。

  但是,由于恒星在亚巨星阶段的演化十分迅速,这导致可观测到的亚巨星数量相当稀少。因此,筛选和构建大样本的亚巨星,就需要大规模的巡天观测普查,而这正是LAMOST的看家本领。近年来,LAMOST的大规模光谱巡天观测提供了大样本恒星年龄,促使银河系考古学研究得到了迅速发展。

  探寻银河系儿时伙伴

  期待望远镜更多宝藏数据

  向茂盛博士和汉斯·瓦尔特·瑞克斯教授依托LA MOST巡天光谱数据获取了700万颗恒星的高精度大气参数,并利用Gaia巡天数据得到高精度的恒星光度和运动信息,在此基础上筛选和构建了一个包含25万颗亚巨星的精确恒星年龄样本,平均年龄精度为7%,金属丰度覆盖范围从-2.5(太阳金属含量的1/300)到0.5(太阳金属含量的3倍),空间覆盖范围达3万光年。

  这是首次在银河系中如此大的空间范围和如此广的金属丰度范围获取目前最精确的大样本恒星年龄,这幅银河系恒星年龄“巨型图”称得上银河系考古学研究的宝藏数据。

  以它们作为研究对象,天文学家刻画出了这幅清晰的早期银河系形成和演化图像,从年老厚盘到银晕,再到夹心薄盘的银河成长历程在时光的流转中逐一被还原。

  然而,我们目前还不清楚在极其遥远的宇宙深处,是否普遍存在跟早期银河系类似的星系,即那些早已失散了的银河系“儿时伙伴”。或许不久的将来,正在地日拉格朗日点L2轨道上开展紧锣密鼓测试的詹姆斯·韦布望远镜将会给出答案。

打印 责任编辑:侯茜

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