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北京時(shí)間2023年1月19日凌晨，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志發(fā)表了中國科學(xué)院國家天文臺(tái)劉超研究員帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)重大成果。發(fā)揮我國重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）超大光譜數(shù)據(jù)樣本優(yōu)勢，結(jié)合歐洲空間局蓋亞（Gaia）衛(wèi)星數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)天體物理學(xué)中一個(gè)非常重要的基礎(chǔ)理論“恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律”會(huì)隨著恒星金屬元素含量和年齡發(fā)生顯著變化，挑戰(zhàn)了恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律不變的經(jīng)典理論，刷新了人類對(duì)這一基本概念的認(rèn)知，這將對(duì)天體物理多個(gè)領(lǐng)域的研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

論文合作者還包括北京師范大學(xué)天文和天體物理前沿科學(xué)研究所、南京大學(xué)、中科院紫金山天文臺(tái)等單位的研究人員。

廣袤宇宙的千億星系中無時(shí)無刻不在誕生著新的恒星，同一恒星形成區(qū)會(huì)批量形成許多不同質(zhì)量的新生恒星。恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律，天文學(xué)上通常稱為恒星初始質(zhì)量函數(shù)，它描述了一群恒星在剛剛誕生時(shí)，不同質(zhì)量的恒星所占的比例。論文第一作者、國家天文臺(tái)博士研究生李佳東解釋說：“在整個(gè)天體物理研究中，恒星初始質(zhì)量函數(shù)是現(xiàn)代天文學(xué)中一個(gè)非?；A(chǔ)的物理概念，對(duì)許多關(guān)鍵天體物理學(xué)問題的研究起到至關(guān)重要的作用?！?/p>

圖為變化的恒星初始質(zhì)量函數(shù)的藝術(shù)展示圖。宇宙誕生之初（圍繞中心明亮部分的內(nèi)環(huán)）質(zhì)量較大的恒星（淺黃色的圓盤）更多；而在較年輕的星族中（外環(huán)），質(zhì)量較小的恒星（紅色的小圓盤）則顯著增加。圖中右下角展示了完成這一觀測的郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）外觀。

半個(gè)多世紀(jì)以來，天文學(xué)家通常認(rèn)為恒星初始質(zhì)量函數(shù)在宇宙各處及各個(gè)演化階段是普適不變的，并作為基本假設(shè)在星系形成與演化、星團(tuán)結(jié)構(gòu)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(lǐng)域廣泛應(yīng)用，幾乎成為天體物理教科書中的“經(jīng)典假設(shè)”。但是近年來，天文學(xué)家通過各種新的觀測，發(fā)現(xiàn)恒星初始質(zhì)量函數(shù)很有可能不是普適不變的。論文合作者、南京大學(xué)天文系教授張智昱說：“一些跡象顯示，在恒星形成活躍的環(huán)境中大質(zhì)量恒星的比例更高，這意味著恒星初始質(zhì)量函數(shù)可能不是普適的?！?恒星初始質(zhì)量函數(shù)在宇宙各處是否變化成為困擾天文學(xué)家的重要問題，需要在銀河系中找到更為直接有力的觀測證據(jù)。

近年來LAMOST、Gaia等國內(nèi)外大型天文設(shè)施投入觀測運(yùn)行，獲得了海量觀測數(shù)據(jù)，助力我國天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了恒星初始質(zhì)量函數(shù)變化的直接證據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)揮LAMOST大樣本光譜數(shù)據(jù)優(yōu)勢，篩選出目前最精細(xì)的9萬多顆太陽鄰域的恒星樣本，并獲取了每顆恒星的金屬元素含量和質(zhì)量。結(jié)合Gaia衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，研究人員首次通過最直觀的恒星計(jì)數(shù)法（數(shù)星星），對(duì)具有不同金屬元素含量和年齡的恒星進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(zhì)量函數(shù)。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，首次清晰觀測到年輕的小質(zhì)量恒星數(shù)量比例明顯高于年老的恒星。此外他們還發(fā)現(xiàn)，金屬含量越高的恒星家族中小質(zhì)量恒星數(shù)量比例也越多。這是天文學(xué)家首次如此清晰地觀測到恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律隨著恒星金屬元素含量和年齡發(fā)生了顯著變化，直接導(dǎo)致恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律在宇宙中普適不變的基本假設(shè)不再成立，終結(jié)了一直以來天文界關(guān)于恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律是否變化的爭議。

這一突破性成果將對(duì)天體物理學(xué)多個(gè)領(lǐng)域的研究產(chǎn)生影響。無論是測量宇宙不同階段星系中暗物質(zhì)和重子物質(zhì)質(zhì)量、構(gòu)建星系化學(xué)演化，還是理解恒星形成過程、分析雙星演化的物理機(jī)制、探測太陽系外行星，甚至包括研究恒星級(jí)引力波事件等一系列天體物理學(xué)前沿問題的研究，都將因恒星初始質(zhì)量函數(shù)的變化而受到挑戰(zhàn)。論文通訊作者劉超研究員解釋：“這如同是一把會(huì)隨著環(huán)境變化的‘尺子’，不能用同一把‘尺子’丈量宇宙的不同地方。在宇宙不同地方天文學(xué)家需要更換合適的‘尺子’才能得到正確的測量結(jié)果。例如，使用銀河系目前的‘尺子’就無法測量早期的宇宙。”此外，論文合作者、中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)符曉婷副研究員補(bǔ)充道：“如此復(fù)雜變化的恒星初始質(zhì)量函數(shù)對(duì)恒星形成理論也提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)”。

恒星初始質(zhì)量函數(shù)領(lǐng)域的國際權(quán)威，德國波恩大學(xué)教授帕弗爾·庫魯帕（Pavel Kroupa）評(píng)價(jià)該成果：“這項(xiàng)研究基于大樣本觀測獲取的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，揭示了銀河系中恒星初始質(zhì)量函數(shù)與銀河系演化歷史和環(huán)境相關(guān)。這對(duì)于深入理解銀河系中不同環(huán)境不同時(shí)間恒星形成的性質(zhì)非常重要?！?/p>

這一原創(chuàng)性成果是我國重大科技基礎(chǔ)設(shè)施LAMOST在前沿基礎(chǔ)研究取得的又一項(xiàng)突破性進(jìn)展。未來，我國將發(fā)射中國空間站工程巡天望遠(yuǎn)鏡（CSST），將助力天文學(xué)家在銀河系更深遠(yuǎn)區(qū)域及近鄰星系中進(jìn)一步驗(yàn)證這一重大發(fā)現(xiàn)，為更深入理解恒星初始質(zhì)量函數(shù)和恒星形成的物理過程提供更加豐富的觀測數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞： 質(zhì)量函數(shù) 天文學(xué)家 天體物理