2023年1月底，《自然》雜志發(fā)表的一篇論文引起了天文學(xué)界的廣泛討論：中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)以前一直被視為固定不變的“恒星初始質(zhì)量函數(shù)”竟然隨著金屬豐度和年齡發(fā)生顯著變化。這個天文學(xué)中基礎(chǔ)物理概念的變化將會影響到人類對恒星形成、星系演化等多個領(lǐng)域的理解。
那么，這個“恒星初始質(zhì)量函數(shù)”究竟是個啥？它變不變化為什么重要？恒星的質(zhì)量能測量嗎？好測嗎？怎么測？測出來能有什么用？本文就來講一講關(guān)于測量恒星初始質(zhì)量函數(shù)的故事，看看這個由中科院國家天文臺、南京大學(xué)、中科院紫金山天文臺組成的合作小組是如何刷新人類對初始質(zhì)量函數(shù)的經(jīng)典認(rèn)知的。
(資料圖片)
恒星究竟是怎么形成的呢？
人類從居住在洞穴的遠(yuǎn)古時期，就開始關(guān)注頭頂?shù)拿ＣＰ呛?。繁星點點，有的亮，有的暗，閃爍在從洞穴、到刀耕火種、再到如今科技社會的夜空。這些星辰是怎么形成的呢？人類把自己的思考畫在了洞穴的巖壁上、刻在了竹簡上、記錄在了望遠(yuǎn)鏡獲得的數(shù)據(jù)里，一步一步完善著自己對這個宇宙的認(rèn)知。
我們現(xiàn)在知道，恒星形成于星際物質(zhì)密度較高的分子云，其中混合著宇宙初期的原始?xì)怏w、之前每一代恒星死亡之后的灰燼以及周圍恒星噴出的劇烈星風(fēng)等。當(dāng)分子云中比較致密的團(tuán)塊或云核發(fā)生坍縮時，其密度會越來越大，以致不斷吸入周圍的物質(zhì)，核心溫度也越來越高，最終發(fā)生核聚變反應(yīng)，誕生一顆恒星。
那么問題來了，一個分子云中長幾顆恒星合適啊？分子云中氣體怎么分配？每個恒星吸多少氣體？最終能長多大？
為了回答這些問題，天文學(xué)家們定義了一個基礎(chǔ)物理概念：恒星初始質(zhì)量函數(shù)。函數(shù)描述的就是在一群恒星誕生時，不同質(zhì)量的恒星所占的比例。
這是一個既基礎(chǔ)、又重要的物理概念。說基礎(chǔ)，是因為這個函數(shù)給出了一個恒星系統(tǒng)的質(zhì)量分布。不管這個恒星系統(tǒng)是星團(tuán)還是星系，最終的恒星構(gòu)成都由這個函數(shù)來描述，所以說這個函數(shù)在天體物理中有非?；A(chǔ)的地位。那么這個函數(shù)為什么重要呢？這就得從恒星質(zhì)量對恒星自己和它所在的星系意味著什么說起了。
不同質(zhì)量對恒星意味著什么？
簡單來說，一個恒星的質(zhì)量對自身來說幾乎意味著一切。
影響恒星壽命
恒星之所以能發(fā)光，是因為能量來自于其內(nèi)部的熱核反應(yīng)。恒星質(zhì)量越大，內(nèi)部的溫度就越高，熱核反應(yīng)也就越劇烈，能參加反應(yīng)的元素也越多。所以大質(zhì)量的恒星更熱更亮，也能生產(chǎn)出更重的元素。但是原料總有用完的一天，大質(zhì)量恒星飛快地燃燒自己，壽命也就比小質(zhì)量的恒星短得多了。在它們熾熱明亮又短暫的一生結(jié)束后，會通過超新星爆發(fā)重新把自己的身體融于星際空間的氣體中，等待著下一次再形成恒星的機會。而一起形成的質(zhì)量小的恒星在大質(zhì)量恒星死亡的焰火背景下，仍然可以穩(wěn)定地存在更長的時間。
影響星系亮度
一顆恒星是這樣，那由恒星組成的星團(tuán)或者星系呢？
我們已經(jīng)知道，質(zhì)量大的恒星活不長。如果一個星系還有好多又熱又亮的大質(zhì)量恒星，那么我們至少就可以知道，這兒的恒星形成剛發(fā)生沒多久，還是一個相對年輕的地兒。反過來，如果一個星系只剩下相對冷一些暗一些的質(zhì)量小一點兒的恒星了，那我們至少可以判斷，這地兒好久都沒有新的恒星形成了，估計年紀(jì)不小，已經(jīng)不太活躍了。
這說的還只是一個星系的溫度和亮度，如果我們觀測得更細(xì)節(jié)一些，去分析星系的化學(xué)成分，檢查它究竟是由什么樣的元素（甚至是同位素）組成的，也能發(fā)現(xiàn)不同質(zhì)量的恒星對星系帶來的影響。
影響星系成分
剛才我們已經(jīng)提到，不同質(zhì)量的恒星內(nèi)部能夠進(jìn)行的核反應(yīng)不太一樣，大質(zhì)量的恒星能夠合成對溫度要求更高的核反應(yīng)產(chǎn)物。所以即使一顆大質(zhì)量的恒星已經(jīng)死去，它所產(chǎn)生的獨特的元素依舊留在星際空間的灰燼里，這是它曾經(jīng)存在的證據(jù)，記錄著它對這個星系的貢獻(xiàn)，并影響著下一代恒星的元素組成。
所以對于一顆恒星來說，發(fā)多亮的光、散發(fā)多熱的溫度、活多長的時間、產(chǎn)生什么樣的物質(zhì)，這都由恒星的質(zhì)量來決定。對于一個星系來說，構(gòu)成它的恒星各自多重也就直接影響到了整個星系的溫度、亮度，以及化學(xué)組成。“恒星初始質(zhì)量函數(shù)”這個用來描述恒星質(zhì)量分布的基礎(chǔ)概念，正是天文學(xué)家用來了解和描述這一切的一把尺子。
從1955 年“恒星初始質(zhì)量函數(shù)”這個概念被提出以來，天文學(xué)家通常都默認(rèn)這把描述恒星質(zhì)量分布的尺子在宇宙各處都是一樣的。在這把尺子的基礎(chǔ)上，天文學(xué)家構(gòu)建星族演化模型，描述星系的演化，計算系外行星的分布和引力波的概率，一步一步豐富著我們認(rèn)知中的宇宙圖景。
可是，這把一模一樣的尺子，能夠用來描述宇宙在漫長演化中的所有恒星形成嗎？如果恒星在不同環(huán)境中形成，這把尺子，會不會也不一樣？
我們只能用實踐，也就是天文學(xué)觀測，來給這個問題一個確定的答案。
恒星的質(zhì)量，怎么測？
既然方向有了，那就讓我們來測量不同環(huán)境中恒星的質(zhì)量分布吧！
可是讓天文學(xué)家頭疼的是，測量恒星質(zhì)量是一件困難重重的事。
最理想的情形，莫過于能瞄準(zhǔn)宇宙中不同類型的星系，完整地測量它們的恒星質(zhì)量分布。可是面對遙遠(yuǎn)的星系們，我們的望遠(yuǎn)鏡根本分辨不出單個的恒星，更別說能給它們各自細(xì)致地稱重了！
這個事實令人沮喪，可也同時給了一些天文學(xué)家靈感：既然星系中活的恒星測不了，我們可以測死了的呀！我們已經(jīng)知道，不同質(zhì)量的恒星進(jìn)行的核反應(yīng)不一樣。它們生產(chǎn)出的元素和同位素在恒星死后留存在星際空間里，如果分析星際空間中的元素和同位素組成，不就可以推斷出這個星系以前的恒星質(zhì)量分布了嗎！
這些天文學(xué)家們于是借助星系化學(xué)演化模型的幫助，發(fā)現(xiàn)在恒星形成活躍的星系中，大質(zhì)量恒星的比例遠(yuǎn)比其它星系更高。這個結(jié)果很明確地告訴我們，至少從死去的恒星灰燼里我們可以看到，“恒星初始質(zhì)量函數(shù)”這把尺子在不同星系環(huán)境中是不一樣的！
那么對于還活著的恒星，情況究竟怎樣？我們是否能夠用最直接的數(shù)星星的方法，數(shù)一數(shù)各個質(zhì)量的恒星究竟有多少？
要想達(dá)成這個目標(biāo)，我們的目光還得回到我們生活的銀河系里來，回到太陽附近的區(qū)域里來。在這里，我們可以分辨出單顆的恒星，測量它們的距離，分析它們的物理參數(shù)，從恒星本身出發(fā)，給它們稱稱重。
不同于溫度和亮度，恒星的質(zhì)量不是一個可以直接觀測的物理量。對于少數(shù)雙星系統(tǒng)的恒星來說，人們可以通過解析它們互相繞轉(zhuǎn)的軌道，算出兩顆星各自的質(zhì)量。但是對于單個的恒星來說，給它們稱重需要光譜、測光、距離測量、以及恒星演化模型的共同努力。
具體來說，通過光譜測量出恒星的溫度和金屬豐度（天文學(xué)家把比氫和氦重的元素都叫作金屬，金屬豐度就是這些元素的總含量），再結(jié)合測光得到的恒星亮度，消去距離帶來的影響（同樣一顆星，距離遠(yuǎn)就會顯得暗），把這些可以測量的量輸入恒星演化模型，就可以得到恒星模型中對應(yīng)這個溫度、金屬豐度、亮度的恒星質(zhì)量了。
準(zhǔn)確來說這種方法可以得到的是一群恒星現(xiàn)在的質(zhì)量分布。如果我們想要研究恒星剛形成時的“初始”質(zhì)量函數(shù)，最好這些恒星的溫度和亮度與它們剛形成時相差不大，這樣一來“現(xiàn)在”的質(zhì)量函數(shù)就幾乎可以等同為“初始”質(zhì)量函數(shù)了。能滿足這樣要求的，就是小質(zhì)量的恒星了。質(zhì)量小的恒星核反應(yīng)比起它的大質(zhì)量同胞來說溫柔得多，恒星演化平穩(wěn)溫和而又緩慢，從形成到現(xiàn)在變化也不太大，正是用來數(shù)一數(shù)初始質(zhì)量函數(shù)的上好選擇。
目標(biāo)：數(shù)一數(shù)太陽附近恒星的質(zhì)量分布！
“準(zhǔn)備就緒，開始計數(shù)！”
這個由國家天文臺、南京大學(xué)、紫金山天文臺科研人員組成的合作小組已經(jīng)在一起工作和討論很長一段時間了。他們之中有研究銀河系結(jié)構(gòu)的，有研究恒星演化的，有測量恒星參數(shù)的，有做星系化學(xué)演化的，有鉆研初始質(zhì)量函數(shù)理論的。不同研究方向的人聚在一起，為測量太陽附近恒星的質(zhì)量分布，絞盡腦汁讓每一個細(xì)節(jié)都沒有紕漏。
每一次人類知識疆界的拓展都是站在巨人的肩膀上。這個研究小組的工作也額外仰仗了兩個望遠(yuǎn)鏡巨人：中國的郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST），和歐洲空間局的蓋亞空間望遠(yuǎn)鏡（Gaia）。
標(biāo)簽：
