点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:数完9万颗星星,他们推翻了经典理论
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

数完9万颗星星,他们推翻了经典理论

来源:中国科学报2023-01-19 09:56

  “我们的研究成果,挑战了天文物理领域的经典理论!”

  1月19日,《自然》发表了中国科学院国家天文台研究员刘超团队与北京师范大学、南京大学、紫金山天文台等单位研究人员合作的一项重大成果。研究认为“恒星初始质量分布规律”会随着恒星金属元素含量和年龄发生显著变化,挑战了“恒星初始质量分布规律不变”的经典理论,刷新了人类对这一基本概念的认知。

  恒星初始质量函数领域的国际权威、德国波恩大学教授帕弗尔·库鲁帕评价:“这项研究基于大样本观测获取的高质量数据,揭示了银河系中恒星初始质量函数与银河系演化历史和环境相关。这对于深入理解银河系中不同环境不同时间恒星形成的性质非常重要。”

  解决了存在30年的争议

  广袤宇宙中无时无刻不在诞生新的恒星,同一恒星形成区会批量形成许多不同质量的新生恒星。恒星初始质量分布规律,天文学上称之为“恒星初始质量函数”,它描述了一群恒星在诞生时,不同质量的恒星所占的比例。

  “恒星初始质量函数在宇宙各处及各个演化阶段是普适不变的。”这一概念自1955年提出以来,作为基本假设,在星系形成与演化、星团结构和演化、双星演化,甚至太阳系外行星以及引力波等诸多天体物理研究领域广泛应用,成为天体物理教科书中的“经典假设”。

  “一些迹象显示,在恒星形成活跃的环境中,大质量恒星的比例更高,这意味着恒星初始质量函数可能不是普适的。”论文合作者、南京大学天文系教授张智昱说。

  但由于找不到直接和有力的观测证据,这个争议存在了30年。

  “当时困扰我们的是太阳附近可用于分析的恒星数量太少,统计中的不确定度就很大,而对银河系外星系关键信号的解释强烈依赖物理模型,可能受到系统偏差影响。”刘超说。

  此次发表的原创性成果发挥了我国重大科技基础设施郭守敬望远镜(LAMOST)超大光谱数据样本优势,同时结合了欧洲空间局盖亚(Gaia)卫星数据。LAMOST目前保持着最大样本恒星光谱数据的世界纪录,Gaia的性能正好和LAMOST互补,二者结合对恒星归类很有帮助,能够把“年老”的恒星挑出来。

  正是这样的优势,研究团队得以“精挑细选”出9万颗距离太阳1000光年以内的恒星样本。在保证误差足够小的同时,最大程度减少对物理模型的依赖。

  观测手段进步后,刘超团队首次通过最直观的恒星计数法,也就是“数星星”,对具有不同金属元素含量和年龄的恒星进行统计,从观测角度直接获取了几乎不依赖于任何模型的恒星初始质量函数。

  这么多恒星,如何“数”?刘超表示,他们根据恒星的亮度等物理特征,建立了一个模型,反推这些样本可以代表多少颗恒星。

  紧接着,根据每颗恒星不同质量和所含金属的比例,刘超把恒星分成不同小组分别进行统计。1000光年范围内的恒星分布是不均匀的,所以还要考虑到空间分布的特性。

  “这9万颗恒星中,有1/4不是单颗恒星,旁边会有一个看不太清楚的伴星,甚至还有少量的多星系统,这些都要纳入统计考量范围内。”刘超说。

  当所有情况都考虑在内后,“数星星”这项工作才算完成。他们观测到年轻的小质量恒星数量比例明显高于年老的恒星,金属含量越高的恒星家族中小质量恒星数量比例就越大。

  “这是天文学家首次如此清晰地观测到恒星初始质量分布规律随着恒星金属元素含量和年龄发生了显著变化,直接导致恒星初始质量分布规律在宇宙中普适不变的基本假设不再成立,终结了天文界一直以来关于恒星初始质量分布规律是否变化的争议。”刘超说。

  “习以为常的可能是最值得反思的”

  做基础研究需要沉得下心,而挑战经典理论更是“基础中的基础”。事实上,这项研究虽然重要,但在天体物理领域只有“一小撮人”在做。

  从2015年开始到论文正式发表,刘超为什么能够在这项研究中坚持8年?他说:“我的研究选题倾向于更加基础的问题,希望能做‘改变教科书’的事。一些我们习以为常的理论,可能恰恰是最值得反思的地方。”

  2015年7月,刘超得出了一个和当前结果类似的结论。兴奋之余,他主动联系了《自然》编辑。

  “不过当时没有9万颗恒星,我们发现数据存在选择效应问题,在选择性和样本性上不够严谨。”刘超说。

  又花了两年时间,2017年刘超解决了选择效应的问题。紧随其后的两年,刘超陆续优化了恒星空间分布测量的方法,解决了双星问题。

  直到2019年,前期技术困难和障碍基本被扫除,剩下的就是对研究发起“攻关”。2020年开始,刘超带着论文第一作者、国家天文台博士生李佳东开始了紧张的数据分析和处理,以及模型建立等工作。2021年初,结果出来了!

  2022年春节,他们打开《自然》的投稿系统,将文章发送到了编辑部。一般情况下,《自然》只有两轮审稿,万万没想到,刘超和审稿人经历了5个来回的“拉扯”。

  “这9万颗恒星如果不分组,能不能重现以前的结果?”“希望从恒星亮度分布的角度,重新检测你们的方法”……面对这项挑战经典理论的研究成果,3位审稿人先后提出了近70个问题,要求团队做出不同的验证。

  直到2022年10月26日,刘超才接到论文接收通知。“9个月的审稿历程,我们经过不断重复验证,对这个结果越来越有信心。审稿人的问题很尖锐,他们不是鸡蛋里挑骨头,而是让我们的结果变得更加可靠。”刘超说。

  还只是“破门”的工作

  这一突破性成果,对天体物理学领域的多个研究产生了影响。无论是测量宇宙不同阶段星系中暗物质和重子物质质量、构建星系化学演化模型,还是理解恒星形成过程、分析双星演化的物理机制、探测太阳系外行星,甚至包括对恒星级引力波事件等一系列天体物理学前沿问题的研究,都将因恒星初始质量函数的变化而受到挑战。

  “这如同一把会随着环境变化的‘尺子’,不能用同一把‘尺子’丈量宇宙的不同地方,天文学家需要更换合适的‘尺子’才能得到正确的测量结果。例如,使用银河系目前的‘尺子’就无法测量早期的宇宙。”刘超说。

  遗憾的是,这次研究虽然挑战了经典理论,但并没有给出更好用的恒星初始质量函数变化参数。“这只是‘破门’的工作,我们会顺着这个思路推动进一步研究。”刘超表示。

  幸运的是,我国在不久的将来会发射中国空间站工程巡天望远镜(CSST),刘超团队将借助CSST完成更多的观测工作。

  刘超表示,CSST能够观测到大半个银河系、看到几十亿颗恒星。以往恒星质量在千分之八太阳质量以下就是“失败的恒星”。有了CSST,天文学家甚至可以观测小到千分之一太阳质量的天体,并获得这类天体更精确的质量函数。(高雅丽)

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文()

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 亚洲金融科技博览会在香港举行 探讨合作新机遇

  • 国庆期间海南离岛免税市场销售火热

独家策划

推荐阅读
记者邓晖从清华大学获悉,该校物理系丁世谦团队近日利用自主研制的148纳米连续波真空紫外激光,以及与合作团队共同研制的掺钍-229氟化钙晶体,实现钍-229核跃迁吸收光谱测量,并将激光频率稳定锁定至核跃迁,实现核光钟运行。
2026-10-09 10:02
获嘉县艳阳天农业服务专业合作社理事长徐方子站在试验田的地头,轻点手机屏幕,电动阀应声开启,水肥顺着滴灌管线精准送达每一株玉米根部。从“会种地”到“慧种地”,从中原粮仓到国人餐桌,河南把创新嵌进农业家底里,让老把式用上新技术,让泥土地长出新生意。
2026-10-09 10:03
国家卫生健康委、国家发展改革委近日印发《医疗康复护理扩容提升工程实施方案》。根据方案,“十五五”期间,原则上支持每个省份建设至少1个康复或护理临床重点专科,省级、设区的市级临床重点专科建设向康复、护理专业倾斜。
2026-10-09 10:05
题:新就业形态劳动者权益保障新规回应哪些关切 随着依托互联网平台就业的新就业形态劳动者数量持续增长,新就业形态劳动者权益保障办法将着力保障该群体合法权益,推动新就业形态健康发展。
2026-10-09 10:07
作为区域性的综合农业服务枢纽,现代农事综合服务中心可以统筹农技、农资、农机、加工、物流、销售等服务能力。“十五五”期间,数字乡村、智慧农业既要持续加强技术研发,也要更加重视通过完善的服务体系把数字化、智能化能力送到田间地头。
2026-10-09 10:11
9月24日,江苏苏州太仓市沙溪镇虹桥村连片稻田里,晚稻正值灌浆关键期,预计10月下旬即可开镰秋收。自此,太仓全市366台粮食烘干设备实现清洁热源100%全覆盖,秋粮归仓的“最后一公里”即将全程用上绿能。
2026-10-09 10:14
你知道吗,复杂的电路系统也可以“纺”进柔软的纤维里,编织机器人电子皮肤成为可能。
2026-10-08 09:26
全球河流每年向海洋输送多少微塑料?答案是约26万吨。河流是陆源微塑料进入海洋的重要通道之一,但全球河流一年到底输送了多少微塑料,这些污染又集中在什么时候入海,一直缺少可靠估算。
2026-10-08 09:18
水稻的生长发育涉及不同类型细胞的协同作用。
2026-10-08 09:17
一粒黄豆,如何酿成一瓶“智慧”酱油?一把原丝,怎样织就全球棉纺织行业首座“灯塔工厂”?一颗玉米,又如何扛起粮食安全的分量?
2026-10-08 09:16
在分子的镜像世界里,生命体系的某些关键分子,为何偏爱其中一种模样?
2026-10-08 08:30
根据国家气候中心监测,9月以来赤道中东太平洋海温持续增暖,为有监测记录以来候和旬尺度海温指数首次突破3摄氏度,海温指数峰值预计出现在11月前后,形成一次有监测记录以来最强的超强厄尔尼诺事件。
2026-09-30 09:45
这里,冬季寒冷漫长,寒凉气候、偏少降水、无霜期短的自然条件,难以形成规模化的城市聚落。对于传统农牧业,年均气温低、无霜期短意味着作物生长期受限;而对数据中心来说,这也是天然冷源。
2026-09-30 09:44
9月29日,中国科学院在京召开新闻发布会,正式发布“科学前沿极限突破计划”及其首批项目,向“极宏观、极微观、极端条件和极综合交叉”方向发起冲击。
2026-09-30 09:38
中国科普研究所经过深入调查研究,形成《全国科普事业发展报告(2026)》,全面展示我国科普事业持续发展壮大所取得的成就。
2026-09-30 09:32
现代科技发展史反复印证着一个道理:许多新技术的突破,归根结底都依赖材料的新发展。
2026-09-30 09:33
世界知识产权组织29日公布的2026年《全球创新指数》中,香港在全球139个经济体中排名再升一位至第14位,并在亚洲保持第五位。
2026-09-30 09:30
科学家绘制出了人体前额叶皮层脑区的已知最大规模基因表达图谱。这些研究进一步阐释了前额叶皮层脑区在生命不同阶段的发育情况,有望用于研究衰老、认知衰退和疾病易感性。在第二篇发表于《自然》论文中,西奈山伊坎医学院的Donghoon Lee和同事报道了一个与脑疾病相关的基因表达变化图谱。
2026-09-29 09:39
纤维的材料层次、器件结构和电路互连随成形过程共同建立起来,让纤维本身成为电路。另一组实验中,研究团队利用纤维组成的柔性交互界面及配套系统,实现了手指对机械臂和无人机的非接触控制。
2026-09-29 09:39
(记者王政)工业和信息化部等7部门28日联合印发《新型电池产业发展“十五五”规划》,提出到2030年,我国新体系电池研发取得重大进展,全固态电池初步实现规模化应用。
2026-09-29 09:40
加载更多