時(shí)間之矢：從宇宙起源到現(xiàn)在及以后，跨越了整個(gè)歷史的主要時(shí)期。宇宙演化是研究逐漸稀薄和冷卻的宇宙中，能量、物質(zhì)和生命的組合和組成的許多變化的一門(mén)學(xué)科。而恒星考古是研究宇宙演化的重要手段。 圖片來(lái)源：NASA

宇宙之大，深空探測(cè)器能夠觸摸的邊界實(shí)在有限；想要看到探測(cè)器“探”不到的遠(yuǎn)方，人們還需要借助于各種各樣的望遠(yuǎn)鏡來(lái)“觀”。

■本報(bào)記者 丁佳 實(shí)習(xí)生 池涵

2019年新年伊始，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）發(fā)布了“新視野”號(hào)深空探測(cè)器拍下的柯伊伯帶小行星MU69（綽號(hào)“Ultima Thule”，即“天涯海角”）的照片，第一次近距離將這位太陽(yáng)系邊緣的遠(yuǎn)古鄰居呈現(xiàn)在世人面前。

探尋宇宙的早期歷史，就像尋找人類(lèi)起源一樣令人著迷。然而宇宙之大，深空探測(cè)器能夠觸摸的邊界實(shí)在有限；想要看到探測(cè)器“探”不到的遠(yuǎn)方，人們還需要借助于各種各樣的望遠(yuǎn)鏡來(lái)“觀”。

在大洋彼岸的中國(guó)，一群從事恒星考古的天文學(xué)家就在孜孜不倦地尋找另一種“宇宙化石”。最近，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員趙剛團(tuán)隊(duì)利用中國(guó)自主設(shè)計(jì)并建造的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡LAMOST的巡天數(shù)據(jù)，挑選出一萬(wàn)余顆金屬含量不到太陽(yáng)百分之一的貧金屬星候選體，形成了目前世界上最大的貧金屬星亮源表，相關(guān)論文發(fā)表在國(guó)際期刊《天體物理學(xué)報(bào)（增刊）》上。

那么，這些金屬含量特別低的恒星，究竟有著怎樣的奧秘？它們對(duì)研究宇宙演化史而言，又有著怎樣的意義？

搜尋宇宙“化石”

顧名思義，貧金屬星就是金屬元素含量非常低的恒星。在宇宙形成的最初幾分鐘，僅有的化學(xué)元素是氫、氦和極其微量的鋰，而宇宙中其他化學(xué)元素都是通過(guò)恒星這個(gè)“宇宙熔爐”產(chǎn)生的。

所以，大爆炸之后2億年左右誕生的第一代恒星在出生時(shí)是“零金屬”的，它們合成了一些新的金屬元素，并在死亡的時(shí)候通過(guò)超新星爆發(fā)的方式，將這些元素拋射到星際介質(zhì)中，從而實(shí)現(xiàn)了化學(xué)增豐。

這種增豐過(guò)程的細(xì)節(jié)錯(cuò)綜復(fù)雜，簡(jiǎn)而言之，在被增豐的星際介質(zhì)中誕生的下一代恒星會(huì)“繼承”這些金屬元素，并生產(chǎn)更多的金屬元素，再“遺傳”給下一代。

如此周而復(fù)始，隨著宇宙不斷變老，金屬的雪球越滾越大，每一代新誕生恒星中的金屬含量都會(huì)比它的上一輩多一些。今天，新生恒星的金屬含量要比130億年前的祖輩恒星高出200萬(wàn)倍。

因此，金屬含量更低的恒星，就意味著它們誕生于更早的宇宙進(jìn)化階段。

貧金屬星的研究有助于解開(kāi)一系列圍繞早期宇宙、元素起源、第一代恒星和銀河系演化的科學(xué)問(wèn)題。如現(xiàn)存的古老恒星中保留了哪些早期宇宙的遺跡？金屬元素是怎樣在宇宙中產(chǎn)生和積累的？第一代恒星和超新星是什么樣子的？銀河系的形成和演化歷史是怎樣的？

“因此，恒星考古的主要任務(wù)就是搜尋和研究貧金屬星。”趙剛團(tuán)隊(duì)成員、中科院國(guó)家天文臺(tái)副研究員李海寧告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

星海“撈針”

從上世紀(jì)80年代以來(lái)，恒星考古取得了一系列重要的成果，例如發(fā)現(xiàn)了金屬含量超低的第二代恒星，包括金屬含量不到太陽(yáng)十萬(wàn)分之一的貧金屬星，以及檢測(cè)不到鐵含量的貧金屬星；通過(guò)大樣本貧金屬星發(fā)現(xiàn)了銀河系有兩個(gè)暈成分；在近鄰矮星系發(fā)現(xiàn)了揭示雙中子星并合證據(jù)的貧金屬星，等等。

然而，與其他領(lǐng)域的研究相比，這仍然是一項(xiàng)十分困難的工作。李海寧坦言，貧金屬星這類(lèi)天體非常稀有，基本等同于在星海里面撈針。時(shí)至今日，現(xiàn)有貧金屬星樣本數(shù)量仍然非常有限。

在一次講座上，李海寧曾展示過(guò)兩張圖，第一張圖是太陽(yáng)附近用望遠(yuǎn)鏡拍到的恒星，密密麻麻地占了一整張圖；而第二張圖是第一張圖里挑出來(lái)的貧金屬星，只剩下了稀疏的四個(gè)紅點(diǎn)。

美國(guó)麻省理工大學(xué)物理系副教授Anna Frebel也曾在《科學(xué)美國(guó)人》雜志的一篇文章中細(xì)數(shù)了一系列她在使用智利卡內(nèi)基天文臺(tái)麥哲倫望遠(yuǎn)鏡搜尋貧金屬星數(shù)據(jù)時(shí)遇到的困難，除了價(jià)格昂貴和地球自轉(zhuǎn)造成的觀測(cè)中斷，還包括信號(hào)強(qiáng)度等問(wèn)題。

盡管難度巨大，但貧金屬星的重要性也使其成為近二十年來(lái)許多大型巡天項(xiàng)目的主要科學(xué)目標(biāo)之一�，F(xiàn)在很多國(guó)家都有正在進(jìn)行和計(jì)劃中的恒星考古計(jì)劃。比如已經(jīng)開(kāi)展的漢堡/歐洲南方天文臺(tái)巡天HES、美國(guó)的斯隆數(shù)字巡天SDSS、澳大利亞的SkyMapper巡天，以及未來(lái)將開(kāi)展的日本斯巴魯望遠(yuǎn)鏡主焦點(diǎn)光譜儀Subaru\PFS計(jì)劃、歐洲4米多目標(biāo)光譜望遠(yuǎn)鏡4MOST項(xiàng)目等。

近幾年來(lái)，中國(guó)也以L(fǎng)AMOST巡天為契機(jī)，在該領(lǐng)域逐漸活躍起來(lái)。

銀河“淘寶”

LAMOST，全稱(chēng)大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡，是我國(guó)2009年建成的世界上口徑最大、光譜獲取率最高的光譜巡天望遠(yuǎn)鏡，每次觀測(cè)可以獲得4000個(gè)天體光譜。

LAMOST巡天獲取了數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的銀河系恒星光譜，是大天區(qū)面積下搜尋珍稀的宇宙化石貧金屬星的極佳機(jī)會(huì)。于是，趙剛研究團(tuán)隊(duì)利用LAMOST開(kāi)展了國(guó)際上最大規(guī)模的貧金屬星搜尋項(xiàng)目。

李海寧等人利用LAMOST巡天數(shù)據(jù)挑選出一萬(wàn)余顆金屬含量不到太陽(yáng)百分之一的貧金屬星候選體，形成了目前世界上最大的貧金屬星亮源表。

“這個(gè)貧金屬星亮源表的優(yōu)勢(shì)在于既大又亮。”李海寧說(shuō)，一方面，LAMOST大天區(qū)的優(yōu)勢(shì)為研究工作提供了大樣本，可以顯著擴(kuò)大現(xiàn)有貧金屬星樣本的數(shù)量，并減小統(tǒng)計(jì)研究的誤差；另一方面，LAMOST搜索到的結(jié)果亮源多，不僅有利于進(jìn)行后續(xù)高分辨率光譜觀測(cè)，而且也有利于獲取這些貧金屬星的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，從而對(duì)銀河系暈的形成歷史開(kāi)展化學(xué)—運(yùn)動(dòng)學(xué)多維空間的研究。

研究人員認(rèn)為，LAMOST貧金屬星亮源表無(wú)疑將成為利用大樣本貧金屬星系統(tǒng)研究銀河系早期演化與銀暈起源的極其寶貴的傳世資源。美國(guó)圣母大學(xué)天體物理系主任、基特峰天文臺(tái)前臺(tái)長(zhǎng)Timothy Beers教授評(píng)價(jià)稱(chēng)：“LAMOST貧金屬星亮源表是該研究領(lǐng)域一個(gè)非常重要且具有極高價(jià)值的貢獻(xiàn)。”

基于LAMOST貧金屬星亮源表的后續(xù)高分辨率光譜觀測(cè)與研究工作也正在順利進(jìn)行中，并且已經(jīng)取得了一系列重要的發(fā)現(xiàn)。

例如，科研人員首次系統(tǒng)搜尋并研究鋰元素豐度異常超高的貧金屬星，構(gòu)建了目前最大的此類(lèi)樣本，并首次在銀河系場(chǎng)星中發(fā)現(xiàn)鋰元素豐度超高的亞巨星，向經(jīng)典小質(zhì)量恒星演化模型提出了挑戰(zhàn)；發(fā)現(xiàn)了第五顆碳氮氧鈉鎂等多種元素異常超豐的超貧金屬星（金屬含量不到太陽(yáng)的萬(wàn)分之一），結(jié)合超新星理論模型研究分析，為此類(lèi)天體的前身星性質(zhì)提供了重要的觀測(cè)限制。

李海寧說(shuō)：“貧金屬星多分布在銀河系暈，表明銀暈是銀河系幾個(gè)成分中比較年老的成分，也就是它形成的時(shí)間更早。但是關(guān)于銀暈的起源我們并不是很清楚，而這也正是我們需要對(duì)大樣本貧金屬星進(jìn)行研究的原因。”

當(dāng)然，除了利用LAMOST的貧金屬星樣本開(kāi)展研究外，中國(guó)也在積極尋求國(guó)際合作，目前在斯巴魯望遠(yuǎn)鏡主焦點(diǎn)光譜儀、美國(guó)30米望遠(yuǎn)鏡等下一代可以開(kāi)展恒星考古的國(guó)際項(xiàng)目中，中國(guó)均有參與。

LAMOST獲取的前所未有的海量恒星光譜，為科學(xué)家星海“淘寶”提供了一個(gè)廣闊的信息海洋。這一個(gè)個(gè)令人嘆為觀止的天文計(jì)劃，能否為人類(lèi)開(kāi)啟恒星考古的新時(shí)代？我們不妨拭目以待。