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LAMOST开启恒星考古新时代

    宇宙最初几分钟,仅有的化学元素是H(质量比例约为75%)、He(质量比例约为25%)以及微乎其微的Li(质量比例约为2×10-9)。经过近138亿年的演化,Li与U之间的元素在银河系中所占的比例已达到约2%。所有这些元素基本上都是通过恒星核合成产生的。

     这段增丰过程细节错综复杂,对遥远古老星系以及第一代恒星进行直接观测难度极大,这使得探究早期历史十分困难。在不断的观测研究中,人们发现了一类就隐藏在我们银河系“后院”的特殊天体——贫金属星,即缺乏金属的恒星。这些贫金属星如同宇宙化石一般,在其大气中保留了形成它们时宇宙极早期原初气体的化学组成,从而成为目前探究第一代恒星与宇宙早期化学性质的唯一可靠的观测途径。通过测量它们今天的化学组分,即表征形成它们的原初气体成分,我们可以实现“恒星考古”,探知早期宇宙的演化。

    贫金属星的重要性也使其成为近二十年来许多大型巡天项目的主要科学目标之一。然而时至今日,现有贫金属星样本数量仍然非常有限。一方面是因为贫金属星非常稀有,例如在太阳附近数万颗恒星中才能找到一颗金属含量不到太阳的千分之一的贫金属星,搜寻难度无异于大海捞针;而另一方面,由于贫金属星谱线极弱,必须通过后续高分辨率光谱观测分析才能揭开其真实性质和起源,而真正适合高分辨率光谱观测的候选体大样本少之又少。

    LAMOST巡天获取了数以百万计的银河系恒星光谱,是大天区面积下搜寻珍稀的宇宙化石贫金属星的极佳机会。于是,中国科学院国家天文台赵刚研究团队利用LAMOST开展了国际上最大规模的贫金属星搜寻项目。该团队李海宁等人利用LAMOST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。这一源表中80%以上的目标亮于16.5等,非常适合现有地面观测设备进行高分辨率后续观测。尤其的,由于历史上仪器分布的原因,现有贫金属星高分辨率观测样本具有显着的集中在南半球的选择效应。LAMOST贫金属星样本的出现,将有望解决这个长期存在的南北半球样本分布不均衡的问题。与此同时,LAMOST贫金属星样本为银河系晕族恒星主导(其中90%为晕族恒星),结合运动学统计分析,我们发现该样本中包含两个具有显着不同运动学特征的成分,其中一个旋转速度与本地恒星相反的成分很可能为外来的“星际移民”所主导。尤其,该样本没有经过任何事先的测光以及运动学筛选,并且超过70%的目标都能够通过现有天体测量数据库获取具有高精度的运动学参数,因此非常适合深入银河系晕的结构与组装历史。简言之,LAMOST贫金属星源表无疑将成为利用大样本贫金属星系统研究银河系早期演化与银晕起源的极其宝贵的传世资源。这项研究成果发表在国际着名期刊天体物理学报增刊(ApJS)。



LAMOST贫金属星源表的亮度分布(左图)与金属丰度分布(右图)。

    基于LAMOST贫金属星源表的后续高分辨率光谱观测与研究工作也正在顺利进行中,并且已经取得了一系列重要的发现。包括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,向经典小质量恒星演化模型提出了挑战;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。相关成果已陆续在美国天体物理学报通信(ApJL)、日本天文学会会刊(PASJ)等重要学术期刊发表。

    LAMOST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Gaia卫星观测结合形成的大数据,将为我们迎来恒星考古的新时代。

(信息来源:郭守敬望远镜(LAMOST)网站)