恒星“批量生产”使用同一参数模板？郭守敬望远镜重磅成果挑战天文学经典理论
宇宙中的恒星“摇篮”区域在孕育恒星时，往往会批量形成许多不同质量的新生恒星。在进行恒星的“批量生产”时，每次都会使用同一个参数模板吗？
1月19日凌晨，国际学术期刊《自然》杂志发表了我国天文学家利用郭守敬望远镜（LAMOST）超大光谱数据样本优势，结合欧洲空间局盖亚（Gaia）卫星数据的最新发现：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。
这一结论挑战了“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。
▲变化的恒星初始质量函数的艺术展示图。宇宙诞生之初（围绕中心明亮部分的内环）质量较大的恒星（浅黄色的圆盘）更多；而在较年轻的星族中（外环），质量较小的恒星（红色的小圆盘）则显著增加。图中右下角展示了完成这一观测的郭守敬望远镜（LAMOST）外观。
广袤宇宙的千亿星系中无时无刻不在诞生着新的恒星。恒星初始质量分布规律（天文学上通常称为恒星初始质量函数）描述了一群恒星在刚刚诞生时，不同质量恒星所占的比例。这是现代天文学中一个非常基础的物理概念。
半个多世纪以来，天文学家通常认为恒星初始质量函数是普适不变的，并将其作为基本假设，在诸多天体物理研究领域广泛应用，几乎成为天体物理教科书中的“经典假设”。但是，天文学家近年来通过各种新的观测发现，这个函数很可能并非普适不变的。
“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。”论文合作者、南京大学天文系教授张智昱说，但要挑战天文学的基本概念，天文学家需要在银河系中找到更为直接有力的观测证据。
近年来，随着LAMOST、Gaia等国内外大型天文设施投入观测运行，获得了海量观测数据，成为我国天文学家探寻恒星初始质量函数变化直接证据的强大助力。
中科院国家天文台刘超研究员带领的研究团队发挥LAMOST大样本光谱数据优势，从中筛选出目前最精细的9万多颗太阳邻域的恒星样本，并获取了每颗恒星的金属元素含量和质量。结合Gaia卫星的观测数据，他们首次通过最直观的恒星计数法——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。
论文第一作者、国家天文台博士研究生李佳东介绍，他们首次清晰观测到，年轻的小质量恒星数量比例明显高于年老的恒星。此外，他们还发现，恒星家族的金属含量越高，其中的小质量恒星数量也越多、比例越高。
▲图中横坐标显示了恒星星族的金属元素含量（金属丰度），数值越大金属丰度越高。纵坐标显示了恒星初始质量函数的形状，α数值越大表示质量较小的恒星比例越高。红色圆点显示了年老星族α值比较小，即质量较小恒星的比例低；蓝色三角形显示较年轻恒星随着金属丰度变高，α值也增加，即质量较小恒星的比例增加。
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。这一发现直接使得“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，从而终结了一直以来天文界关于恒星初始质量分布规律是否变化的争议。
这一突破性成果将对天体物理学多个领域的研究产生影响。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·库鲁帕认为该成果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。论文合作者、中国科学院紫金山天文台符晓婷副研究员认为，这一新发现让人类认识到恒星初始质量函数是复杂而变化的，这对恒星形成理论也提出了严峻的挑战。
据悉，我国即将发射的中国空间站工程巡天望远镜（CSST），未来将助力天文学家在银河系更深远区域及近邻星系中进一步验证这一重大发现。
作者：许琦敏
图片：中科院国家天文台提供
责任编辑：任荃
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