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中国和扶桑研商团体开采评判银系“移民”新方式——化学“DNA”识别

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银河系的形成与演化是个令人着迷的科学问题。天文学界此前认为,银河系是通过不断“吞并”附近的矮星系壮大的。近日,一项新发现为银河系“吞并”矮星系提供了新证据。

利用我国重大科技基础设施郭守敬望远镜科学家们已经发现,类似银河系这样的大型星系是通过合并周边的矮星系不断成长、壮大的。但究竟如何鉴别哪些恒星是银河系的“原住民”、哪些恒星是“移民”呢?由我国科学家领导的中日研究团队为鉴别“移民”提供了一种新方法——化学“DNA”识别。这一发现发表于北京时间4月30日凌晨出版的科学期刊《自然·天文》上。

中国科学院国家天文台领导的中日合作研究团队,首次在银河系发现了一颗奇特的恒星。研究团队通过分析其“DNA”发现,这颗恒星并非银河系“原住民”,而是被银河系吸入瓦解的矮星系的“外来移民”。

文章的通讯作者、中国科学院国家天文台赵刚研究员介绍,研究团队证实了银河系内一颗重元素含量超高的恒星起源自被银河系瓦解的矮星系,并首次揭示了这类稀有恒星的吸积起源,深化了对重元素产生机制的认识,为基于恒星化学成分识别来自附近矮星系的恒星提供了重要线索。

据介绍,这一研究发现,为银河系“吞并”矮星系提供了确切可靠的化学证据,将加深人类对星系形成和演化的认识。研究成果于北京时间4月30日获国际权威学术期刊《自然·天文》(Nature
Astronomy)在线发表。

文章第一作者、中国科学院国家天文台邢千帆博士解释,通过研究恒星的光谱,我们可以推断出恒星的化学成分,而恒星很大程度上保留了它诞生时所处环境的化学成分,被称为“星星的DNA”,不同星系恒星的化学成分会有很大差别,因此通过分析恒星的化学成分可以追溯它们的起源。

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研究团队首先利用我国重大科技基础设施郭守敬望远镜提供的海量光谱数据,遴选出银河系中特殊的恒星——重金属元素“超标”的恒星,科学家称它们是“快中子俘获过程元素超丰恒星”。邢千帆解释,第一代恒星在它们的核心炉中逐渐炼成各种化学元素,其中比氦重的元素都被天文学家称为“金属”元素,比铁重的元素称为“重金属”元素。当第一代恒星以超新星爆炸的方式结束生命后,它们所产生的化学元素就成为新一代恒星的“原料”。邢千帆说:“宇宙中比铁重的元素主要是通过原子核与中子撞击产生,如果被原子核所捕获的中子速率比中子衰变的速率快,该过程产生的元素就被称为快中子俘获过程元素。像人们熟知的贵金属黄金,制造原子弹所用的铀,在地壳中含量仅有0.000106%并被称为最稀有元素的铕,都属于比铁重的快中子俘获过程元素。”

新发现的银河系“外来移民”示意图。 中国国家天文绘制

研究团队在银河系晕内发现的这颗重金属“超标”恒星,是目前已知铁含量最高的快中子俘获过程元素超丰恒星,也是国际上首次在银河系中发现低镁的快中子俘获过程元素超丰恒星。这颗恒星的铕相对于铁的丰度是太阳的10倍有余,大大超出同类恒星的平均值,目前在银晕中仅发现了30多颗该类型的恒星;但这颗恒星的镁元素以及其他alpha元素的含量却异常低,仅为同类恒星的五分之一。这与银河系中的大部分恒星不同,但在银河系近邻矮星系中却是普遍存在。

破解“身世”之谜

之后,研究团队又利用日本国立天文台8米光学望远镜高分辨率光谱联合观测,确定了这颗恒星中24种元素的含量,并与矮星系恒星和银晕场星进行了细致比较。对比发现这颗恒星的化学成分与矮星系恒星高度吻合,明显不同于银河系的晕族恒星,表明这颗恒星来自于被银河系瓦解的矮星系,是“外来移民”,为银河系并合事件提供了确切和可靠的化学证据。而这或许也将成为科学家们以后判断银河系内恒星是“原住民”和“移民”的关键线索。

银河系这样的大型星系通常被认为是并合矮星系形成的。然而银河系中有多少恒星来自矮星系?这些恒星具有什么样的特征?天文学家对此仍知之甚少。

不仅如此,科学家们还为银河系内快中子俘获过程元素超丰恒星的起源提供了一种新解释——进一步的分析显示这颗恒星是在其原属的矮星系经历了极为罕见的中子星并合事件之后形成的,也就是说这颗恒星内大量的快中子俘获过程元素很可能是在中子星并合事件中产生的。

依托LAMOST望远镜提供的海量光谱数据,中国科学院国家天文台领导的中日合作研究团队,在银河系晕内发现了一颗距离地球约2.2万光年的特殊恒星。

邢千帆说:“研究团队将继续深入研究,争取弄清楚银河系中‘原住民’和‘移民’的比例,进一步推进人类对星系形成和演化的认识。”

这颗恒星是如何被注意到的?论文第一作者、国家天文台助理研究员邢千帆介绍,郭守敬望远镜获取了数百万颗恒星的光谱,研究人员测量了其中数十万颗恒星镁元素的含量,从中发现了100多颗镁元素含量低的恒星。

邢千帆进一步解释,恒星很大程度上保留了它诞生时所处环境的化学成分,通过分析恒星的化学成分可以追溯它们的起源。恒星光谱就像是恒星的DNA,通过光谱,天文学家可以确定恒星的光度、温度、化学组成等,破解这颗恒星的“身世之谜”。

与其他恒星不同的是,这颗恒星的快中子俘获过程元素含量超高。邢千帆解释,比铁重的元素我们习惯称之为重元素,快中子俘获过程是重元素产生的重要机制之一。“像人们熟知的金、银、制造原子弹所用的铀、被称为最稀有元素的铕,都属于快中子俘获过程元素。”

简单来说,这颗恒星的银、铕、金、铀等重元素含量非常高。尤其是铕含量,大大超出银河系中普通恒星的平均值,目前在银晕中仅发现30多颗该类型恒星。

“一高一低,两个特点集合在一颗恒星上,这是非常新奇的。这也是国际上首次在银河系中发现低镁的重元素超丰恒星。”邢千帆说。

寻找“吞并”证据

“镁元素含量低,我们已经可以基本判定它来自矮星系。”邢千帆解释,同时这颗恒星的其它α元素(包括硅、钙和钛等元素)的含量也异常低,仅为银河系中普通恒星的五分之一,而具有类似化学成分的恒星在银河系近邻矮星系中普遍存在。

为了完全确认这一结论,研究团队基于8米光学望远镜高分辨率光谱联合观测,确定了这颗恒星中24种元素的含量,并与矮星系恒星和银晕中的场星进行了细致比较。

对比发现,这颗恒星的化学成分与矮星系恒星高度吻合,明显不同于银河系的晕族恒星。这意味着,这颗恒星来自于被银河系瓦解的矮星系,是银河系并合事件的可靠化学证据。

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