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 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 2026年世界互联网大会数字丝路发展论坛观察

  • 2026年亚太经合组织数字和人工智能部长会议在成都举行

独家策划

推荐阅读
国家药监局近日批准全球首个选择性食欲素2型受体激动剂上市,用于治疗16岁及以上青少年和成人1型发作性睡病。该药为原创靶点、新机制罕见病治疗药物,在中国、美国、日本、欧盟同步申报,我国率先完成审批,实现全球“首报首发”的历史性突破。
2026-07-24 08:55
记者从市场监管总局了解到,国际电工委员会智能制造系统委员会近日发布IEC SRD 63459:2026《智能制造用例模板》国际标准。为此,国际电工委员会智能制造系统委员会于2019年成立首个工作组,组织各国专家制定国际统一的智能制造用例模板,以统一的方式描述、存储和使用用例。
2026-07-24 08:51
23日20时,我国在西昌卫星发射中心使用长征三号乙运载火箭,成功将天链二号06星发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务取得圆满成功。
2026-07-24 08:50
王虹、邓煜与其他两位数学家共同获得菲尔兹奖,这是令国人振奋的消息,也是中国数学家感到自豪的时刻。邓煜的另一项研究,是与合作者成功建立了三维波动方程吉布斯测度的不变性,将概率论方法系统性地引入波动方程研究。
2026-07-24 08:49
记者从北京大学获悉,2026年国际数学家大会23日在美国费城开幕。王虹,本科就读于北京大学数学科学学院,获理学学士学位;2014年相继取得巴黎综合理工学院工程师学位与巴黎-萨克雷大学硕士学位;后于麻省理工学院完成博士学位。
2026-07-24 08:48
7月22日,美国佛蒙特大学研究团队在《自然》杂志发表论文称,他们在北美鲶鱼体内发现一种可传染的黑色素瘤。换言之,肿瘤细胞本身就是“感染因子”,如同寄生虫一般,从一条鱼传到另一条鱼。这些带病的鲶鱼,正为科学界提供一个观察癌症演化的难得机会。
2026-07-23 09:57
《自然》杂志22日发表了一项天文学研究,可能揭示了人类对首个已知的系外卫星(exosatellite)的观测。在三层等级系统中,一颗恒星周围有一颗伴星,如行星或褐矮星,而第三个天体围绕伴星,这第三个天体可称为系外卫星。
2026-07-23 09:57
生物腐烂是生态系统养分循环的关键过程,但腐烂区域同时也是病原微生物高度活跃、可能对活体植物造成侵害的“危险区”。
2026-07-23 09:49
习近平总书记在国家科学技术奖励大会、两院院士大会、中国科协第十一次全国代表大会上的讲话中指出,“科学的未来在青年”,强调“要把青年科技人才队伍建设作为一项战略工程,全方位做好培养、引进、使用工作”。
2026-07-23 09:49
黄瓜是受到全球广泛喜爱的蔬菜,它源自喜马拉雅山脉南麓,由其野生祖先驯化而来,历经2000余年的传播扩散,遍布世界。中国科学院院士、崖州湾国家实验室副主任钱前评价,该研究为黄瓜分子设计育种提供了坚实支撑,兼具重要基础科学价值与育种应用前景。
2026-07-23 09:48
中国水稻研究所研究员王克剑团队近日在杂交水稻育种领域取得重要进展——成功研发出克隆效率稳定超过99%、结实完全正常的一系法杂交水稻,团队将其命名为“一系1号”。图为团队创制的无融合生殖株系在试验田大群体种植下表现出的克隆效率与结实率情况。
2026-07-22 09:35
今年新增农业机器人、盐碱地科学与工程、智慧渔业三大新农科专业,分别由江苏大学、山东农业大学、宁波大学首批开设,为涉农人才培养开辟了新跑道。
2026-07-22 09:31
这场举世瞩目的盛会,凝聚共识,密集发布国际合作倡议与行动计划,为促进全球人工智能朝着向上向善、造福人类的方向发展注入了更多新动能。
2026-07-22 09:29
虽然现阶段机器人能做的事还很有限,但这种“人机搭档”的新模式,让我们的生活服务向高品质、多样化和便利化发展。我想,这就是科技落地的意义吧。
2026-07-22 09:28
重离子加速器是探索基本相互作用、物质结构和宇宙演化的重要工具,研究中产生的新知识、技术和方法被广泛应用于航天、医疗、农业等多个领域。
2026-07-22 09:26
无法驶出的化肥运输船,迟迟不散的热浪,突然生效的出口禁令……近期,一系列事件叠加,或许正给全球粮食安全带来显著不确定性。
2026-07-21 03:40
拔尖创新人才作为国家战略科技力量的核心支撑,其培育成效直接关系到高水平科技自立自强的进程。科学教育是拔尖创新人才培养的基础工程,必须把握青少年成长的关键期,构建全链条、一体化的科学教育新生态,推动教育、科技、人才深度融合,为强国建设筑牢人才根基。
2026-07-21 03:40
以人工智能为代表的新一轮科技革命和产业变革,正深刻重塑产业形态与劳动方式,职业教育作为对接产业最紧密的教育类型,面临的根本性问题已不再是如何培养标准化、重复性的熟练操作者,而是要回答人机协同时代究竟需要什么样的高技能人才。
2026-07-21 03:40
暑假已至,以中小学生为主力的研学游市场持续升温。外出研学已成为不少中小学生家庭的假期常规安排。家长往往将研学活动视作教育由家庭、学校向社会课堂的延伸,是学校教育的重要补充。
2026-07-21 03:40
毕业论文AI率检测,已成为无数大学毕业生关心的热点话题。AI工具引发的学术不端如何界定?为规避高AI率而拆解论文、打乱表达的无奈如何化解?AI检测产品缺少国家标准、质量参差不齐的困局如何突破?这些追问,热度居高不下,答案却远未清晰。
2026-07-21 03:40
加载更多