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首顆銀河系“外來移民”現真容

  科幻電影《流浪地球》中,地球像宇宙飛船一樣在太空中“四處流浪”。而現實中,與太陽類似的恒星不僅會在本星系內運動,甚至會從一個星系“流浪”到另外一個星系——這是怎么一回事?經濟日報記者帶您一探究竟

  日前,國際科學期刊《自然·天文》在線發布我國天文學家主導的一項重大發現,中國科學院國家天文臺趙剛研究員領導的中日合作研究團隊證實了銀河系內一顆重元素(包括銀、銪、金、鈾等)含量超高的恒星來自被銀河系瓦解的矮星系。

  論文作者、國家天文臺副研究員李海寧表示,銀河系周圍約有50多個矮星系,均受到銀河系強大的引力,甚至被銀河系“吞并”,從而在銀河系中留下大量星際“移民”。一旦這些移民恒星久居于銀河系,便很難將它們與銀河系的土著恒星區分開。而此次發現,為銀河系并合事件提供了確切可靠的化學證據,為識別銀河系中的“外來移民”提供了新的線索。

 元素:恒星的DNA

  自然界的萬物,大到宇宙中的恒星,小到地面上的螞蟻均由化學元素周期表中的化學元素所組成。然而,這些元素從何而來呢?

  曾獲得諾貝爾物理學獎的化學元素合成理論是這樣描述的:宇宙誕生之初,大爆炸產生了大量的氫、氦和極其微量的鋰。隨后,這波大爆炸物質開始冷卻,直到2億年后,宇宙中才出現了第一代恒星。

  具體而言,恒星的核心就像化學元素的“煉金爐”,恒星可以在其中逐漸煉成各種化學元素。其中,比氦重的元素都被天文學家稱為“金屬”元素。當這些恒星以極其壯烈的方式——超新星爆炸結束生命之時,其制造的金屬元素將被播散到星際之中,為后代恒星的產生提供原料。

  宇宙中,比鐵重的元素主要是通過原子核與中子撞擊產生。如果被原子核所捕獲的中子速率比中子衰變的速率快,該過程產生的元素就被稱為快中子俘獲過程元素。像人們熟知的貴金屬黃金,制造原子彈所用的鈾,在地殼中含量僅有0.000106%并被稱為最稀有元素的銪,都屬于比鐵重的快中子俘獲過程元素。我們可以簡單地把快中子俘獲過程元素稱為“重金屬”元素。

  天文學家發現,恒星很大程度上保留了它誕生時所處環境的化學成分,因此無論長大后的恒星何去何從,它們身上攜帶的化學成分就像生命密碼DNA一樣,能夠成為天文學家揭秘恒星起源的重要線索。

  然而,星星離我們如此遙遠,星光又如此微弱,天文學家如何獲知這些星星的奧秘呢?

  這要感謝19世紀的德國光學儀器師夫瑯和費(J.Fraunhofer)第一次發現了太陽光譜。利用太陽光譜,可以探測太陽大氣的化學成分、溫度、壓力、運動、結構模型以及形形色色活動現象的產生機制與演變規律,可以認證輻射譜線和確認各種元素的豐度。

  光譜的發現,真正開啟了人類探索恒星內部化學組成的大門。恒星光譜就像恒星的指紋,天文學家可以通過一個恒星的光譜測量其溫度和光度,推斷出它的大小、年齡、化學成分,甚至可以重現這顆恒星的“星路”歷程。

  目前,世界上光譜獲取率最高的天文望遠鏡是由中國天文學家自主研制的郭守敬望遠鏡(LAMOST)。它巡天7年,獲取了1125萬條光譜。這些星光里的“彩虹”為天文學家探索銀河系的形成與演化,以及星系物理等前沿科學的種種奧秘提供了最有力的數據支持。

 重元素超高:露出馬腳

  那么,銀河系是如何形成的呢?

  天文界更傾向的理論認為:宇宙初始有很多小分子云,這些分子云各自形成很小的包含恒星和氣體的矮星系。所謂矮星系,就是擁有恒星數量較少,且總體質量較小的星系。然后,這些矮星系不斷碰撞合并形成更大的星系,也就是銀河系的雛形。最后,這個初始的銀河系不斷“吞噬”附近的矮星系,最終形成了現在規模的銀河系。

  長久以來,天文學家一直在努力尋找矮星系被銀河系“吞噬”的證據,以獲知銀河系中現有恒星到底哪些是原有的“土著居民”,哪些是來自于近鄰矮星系的“外來移民”,從而推動銀河系形成與演化的研究。

  論文第一作者、國家天文臺邢千帆博士介紹說,依托我國重大科技基礎設施LAMOST的光譜數據,研究團隊在銀暈(銀河系外圍由稀疏分布的恒星和星際物質組成的球狀區域叫銀暈)中發現了一顆快中子俘獲過程元素含量超高的重金屬恒星。這顆恒星的銪相對于鐵的比率是太陽的10倍之多,大大超出了同類恒星的平均值。它攜帶了大量包括金元素在內的重元素,堪稱銀河系的一個“金庫”。

  目前,天文學家在銀暈中僅發現了30余顆該類恒星,如此稀有的恒星引起了天文學家的強烈好奇:這些恒星到底來自哪里?它們是銀河系里的“原始居民”,還是來自近鄰矮星系的“外來移民”?

  一系列的問題推動著天文學家繼續前行。而要為恒星尋宗問祖,仍需從星星們的DNA——化學元素的組成開始研究。

 DNA鑒定:揭示真實身份

  被銀河系吞噬的矮星系與目前幸存的矮星系具有相近的質量,因此,它們擁有的成員星也具有相似的化學特征。通過研究銀河系附近矮星系成員星的化學組成,天文學家便可獲知矮星系家族里恒星的化學特征,從而像做DNA鑒定一樣,把銀河系內來自矮星系的恒星篩選出來。

  研究人員發現,在銀河系近鄰矮星系的成員星中,α元素(鎂、硅、鈣和鈦等)的含量明顯低于銀暈內恒星的平均值。基于此,目前“α元素含量低”的特征就如同一條DNA生命密碼,成為篩選銀河系中外來“移民”的有效證據,幫助天文學家找出銀暈中最初來自于矮星系的恒星。

  根據這個線索,邢千帆等人對這位身份可疑、重金屬元素含量超高的恒星開展了α元素含量的DNA鑒定。經測量,這顆恒星的α元素含量異常低,僅為同類恒星的五分之一——而具有類似化學成分的恒星在銀河系近鄰矮星系中卻普遍存在。因此,初步斷定這顆銀暈中的恒星是“外來人員”,極可能是銀河系并合矮星系時帶來的“移民”。

  為進一步證實這顆恒星的真實身份,我國天文學家借助日本的8米光學望遠鏡開展了高分辨率光譜觀測,確定了該星更加精細的化學成分,獲取了其24種元素的含量,并分別與矮星系恒星和銀暈場星進行了細致比較,對比發現這顆恒星的化學成分與矮星系恒星高度吻合,明顯不同于銀河系的銀暈場族恒星。

  通過以上的DNA親子鑒定,這顆奇特恒星的“身世”和“家族史”終于浮出水面——它果然是來自于被銀河系瓦解的矮星系。

  這讓人不禁感嘆,宇宙的星空舞臺上,原來也上演過如此精彩的故事:這顆恒星起初居住的矮星系“國度”實在沒辦法與銀河系這個強大的“國度”勢均力敵,最終在不斷撕扯掙扎中被銀河系征服吞噬,矮星系“王國”攜帶包括這顆星在內的恒星成員一起投奔了銀河系。于是,才有了今天天文學家幫它尋宗問祖揭秘身世的杰作。這顆恒星的發現及其“身世”的揭秘,也為銀河系并合事件提供了確切可靠的化學證據。

  “科學的美妙在于,即便我們當時看不到它,但人類的智慧卻能讓我們在千萬年之后預見它、證實它,重現宇宙星空一個個精彩的故事。”李海寧說。

  (原載于《經濟日報》 2019-05-09 15版)

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