“我們的研究成果，挑戰了天文物理領域的經典理論！”
1月19日，《自然》發表了中國科學院國家天文臺研究員劉超團隊與北京師范大學、南京大學、紫金山天文臺等單位研究人員合作的一項重大成果。研究認為“恒星初始質量分布規律”會隨著恒星金屬元素含量和年齡發生顯著變化，挑戰了“恒星初始質量分布規律不變”的經典理論，刷新了人類對這一基本概念的認知。
恒星初始質量函數領域的國際權威、德國波恩大學教授帕弗爾·庫魯帕評價：“這項研究基于大樣本觀測獲取的高質量數據，揭示了銀河系中恒星初始質量函數與銀河系演化歷史和環境相關。這對于深入理解銀河系中不同環境不同時間恒星形成的性質非常重要。”
(資料圖)
解決了存在30年的爭議
廣袤宇宙中無時無刻不在誕生新的恒星，同一恒星形成區會批量形成許多不同質量的新生恒星。恒星初始質量分布規律，天文學上稱之為“恒星初始質量函數”，它描述了一群恒星在誕生時，不同質量的恒星所占的比例。
“恒星初始質量函數在宇宙各處及各個演化階段是普適不變的。”這一概念自1955年提出以來，作為基本假設，在星系形成與演化、星團結構和演化、雙星演化，甚至太陽系外行星以及引力波等諸多天體物理研究領域廣泛應用，成為天體物理教科書中的“經典假設”。
“一些跡象顯示，在恒星形成活躍的環境中，大質量恒星的比例更高，這意味著恒星初始質量函數可能不是普適的。”論文合作者、南京大學天文系教授張智昱說。
但由于找不到直接和有力的觀測證據，這個爭議存在了30年。
“當時困擾我們的是太陽附近可用于分析的恒星數量太少，統計中的不確定度就很大，而對銀河系外星系關鍵信號的解釋強烈依賴物理模型，可能受到系統偏差影響。”劉超說。
此次發表的原創性成果發揮了我國重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST）超大光譜數據樣本優勢，同時結合了歐洲空間局蓋亞（Gaia）衛星數據。LAMOST目前保持著最大樣本恒星光譜數據的世界紀錄，Gaia的性能正好和LAMOST互補，二者結合對恒星歸類很有幫助，能夠把“年老”的恒星挑出來。
正是這樣的優勢，研究團隊得以“精挑細選”出9萬顆距離太陽1000光年以內的恒星樣本。在保證誤差足夠小的同時，最大程度減少對物理模型的依賴。
觀測手段進步后，劉超團隊首次通過最直觀的恒星計數法，也就是“數星星”，對具有不同金屬元素含量和年齡的恒星進行統計，從觀測角度直接獲取了幾乎不依賴于任何模型的恒星初始質量函數。
這么多恒星，如何“數”？劉超表示，他們根據恒星的亮度等物理特征，建立了一個模型，反推這些樣本可以代表多少顆恒星。
緊接著，根據每顆恒星不同質量和所含金屬的比例，劉超把恒星分成不同小組分別進行統計。1000光年范圍內的恒星分布是不均勻的，所以還要考慮到空間分布的特性。
“這9萬顆恒星中，有1/4不是單顆恒星，旁邊會有一個看不太清楚的伴星，甚至還有少量的多星系統，這些都要納入統計考量范圍內。”劉超說。
當所有情況都考慮在內后，“數星星”這項工作才算完成。他們觀測到年輕的小質量恒星數量比例明顯高于年老的恒星，金屬含量越高的恒星家族中小質量恒星數量比例就越大。
“這是天文學家首次如此清晰地觀測到恒星初始質量分布規律隨著恒星金屬元素含量和年齡發生了顯著變化，直接導致恒星初始質量分布規律在宇宙中普適不變的基本假設不再成立，終結了天文界一直以來關于恒星初始質量分布規律是否變化的爭議。”劉超說。
“習以為常的可能是最值得反思的”
做基礎研究需要沉得下心，而挑戰經典理論更是“基礎中的基礎”。事實上，這項研究雖然重要，但在天體物理領域只有“一小撮人”在做。
從2015年開始到論文正式發表，劉超為什么能夠在這項研究中堅持8年？他說：“我的研究選題傾向于更加基礎的問題，希望能做‘改變教科書’的事。一些我們習以為常的理論，可能恰恰是最值得反思的地方。”
2015年7月，劉超得出了一個和當前結果類似的結論。興奮之余，他主動聯系了《自然》編輯。
“不過當時沒有9萬顆恒星，我們發現數據存在選擇效應問題，在選擇性和樣本性上不夠嚴謹。”劉超說。
又花了兩年時間，2017年劉超解決了選擇效應的問題。緊隨其后的兩年，劉超陸續優化了恒星空間分布測量的方法，解決了雙星問題。
直到2019年，前期技術困難和障礙基本被掃除，剩下的就是對研究發起“攻關”。2020年開始，劉超帶著論文第一作者、國家天文臺博士生李佳東開始了緊張的數據分析和處理，以及模型建立等工作。2021年初，結果出來了！
2022年春節，他們打開《自然》的投稿系統，將文章發送到了編輯部。一般情況下，《自然》只有兩輪審稿，萬萬沒想到，劉超和審稿人經歷了5個來回的“拉扯”。
“這9萬顆恒星如果不分組，能不能重現以前的結果？”“希望從恒星亮度分布的角度，重新檢測你們的方法”……面對這項挑戰經典理論的研究成果，3位審稿人先后提出了近70個問題，要求團隊做出不同的驗證。
直到2022年10月26日，劉超才接到論文接收通知。“9個月的審稿歷程，我們經過不斷重復驗證，對這個結果越來越有信心。審稿人的問題很尖銳，他們不是雞蛋里挑骨頭，而是讓我們的結果變得更加可靠。”劉超說。
還只是“破門”的工作
這一突破性成果，對天體物理學領域的多個研究產生了影響。無論是測量宇宙不同階段星系中暗物質和重子物質質量、構建星系化學演化模型，還是理解恒星形成過程、分析雙星演化的物理機制、探測太陽系外行星，甚至包括對恒星級引力波事件等一系列天體物理學前沿問題的研究，都將因恒星初始質量函數的變化而受到挑戰。
“這如同一把會隨著環境變化的‘尺子’，不能用同一把‘尺子’丈量宇宙的不同地方，天文學家需要更換合適的‘尺子’才能得到正確的測量結果。例如，使用銀河系目前的‘尺子’就無法測量早期的宇宙。”劉超說。
遺憾的是，這次研究雖然挑戰了經典理論，但并沒有給出更好用的恒星初始質量函數變化參數。“這只是‘破門’的工作，我們會順著這個思路推動進一步研究。”劉超表示。
幸運的是，我國在不久的將來會發射中國空間站工程巡天望遠鏡（CSST），劉超團隊將借助CSST完成更多的觀測工作。
劉超表示，CSST能夠觀測到大半個銀河系、看到幾十億顆恒星。以往恒星質量在千分之八太陽質量以下就是“失敗的恒星”。有了CSST，天文學家甚至可以觀測小到千分之一太陽質量的天體，并獲得這類天體更精確的質量函數。（高雅麗）
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