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贫金属恒星的发现将有助于揭开欧米伽星团的身世

2020-05-08 13:45:47来源:科技日报

15800光年外,神秘的半人马座欧米伽球状星团中,有这样一群孤独的星球:它们身处中心,却与其他星球遥遥相望;它们平淡无奇,从运动学特性上无法与其他星球相区分……

近日,《arxiv》发表了一项最新观测结果:天文学家通过观测发现,在半人马座欧米伽球状星团中,有11颗恒星的金属丰度非常之低。

“这意味着,它们是半人马座欧米伽球状星团中最古老的天体之一,而欧米伽球状星团的身世一直是谜,这些贫金属恒星的发现将有助于我们揭开欧米伽星团的身世。”中国科学院国家天文台李海宁副研究员告诉记者。

堪称宇宙时刻表的恒星金属含量

“天文学上把一切比氦重的化学元素都叫做金属,一颗恒星表层大气里金属元素的总和就是金属丰度,也就是金属含量。”李海宁告诉记者,天文学中金属与通常所说的金属概念并不相同。

宇宙诞生之初,大爆炸产生了大量的氢、氦和极其微量的锂,于是在这样的环境下诞生了宇宙中的第一代恒星。它们合成制造了一些比锂更重的金属元素,并且在结束其短暂一生的同时,通过超新星爆发将其制造的各种金属元素喷射到四面八方,埋藏在孕育它们的直系后代——第二代恒星的星际尘埃当中。

就这样代代相传,恒星也随着宇宙不断成长,每一代新诞生恒星中的金属含量都会比它的上一辈高一些,今天的“新生儿”恒星的金属含量要比一百三十亿年前的老祖先高出两百万倍。

“所以通常可以认为,金属丰度越低的恒星,就代表着越早的宇宙演化阶段。”李海宁说道。

但并不是所有的金属元素含量都能测定,天文学家常用在可见光范围最易测量的铁元素丰度来表征一颗恒星的金属丰度。

那么,对于遥远的恒星我们通过天文望远镜如何测出它们的金属含量呢?李海宁告诉我们一个小技巧:金属丰度其实可以“看的出来”,用颜色就可以粗略的反映它们大致的金属含量。

但如果要准确的确定一颗恒星的金属丰度,则需要借助恒星光谱。恒星光谱是在黑体谱上叠加了许多暗线,而这些暗线其实是炽热的星光穿过恒星外层较冷的大气时,在特定波长产生的吸收特征。因此,每一条暗线都隐藏着某种元素在星光中留下的独特信息。通过测量不同谱线的强度,我们就能够知道这颗恒星的表层大气包含哪些元素、其含量是多少。

我们为何关注这些最缺乏金属的恒星

正如前文所说,宇宙大爆炸之初,恒星的老祖宗们所拥有的金属含量非常低。也就是说,找到那些缺少金属的恒星,就能研究恒星及相关天体的演化史,这对于我们这些居住在地球并环绕恒星太阳飞行的人类来说,确实很有意义。

李海宁介绍说,金属丰度可以粗略地显示恒星的年龄,因此富金属星通常比较年轻,而缺乏金属元素的贫金属星则比较年老。

但金属丰度没有特定的分类,一般是根据金属丰度的高低,粗略地把恒星分为富金属与贫金属星。“比如,和太阳金属丰度差不多或者更高的恒星可以认为是富金属星,而比太阳金属丰度低的恒星统称为贫金属星。”李海宁说。

半人马座欧米伽(也被称为NGC5139)位于大约15800光年之外,是最明亮、最大质量的银河系球状星团。

观测显示,半人马座欧米伽球状星团的化学成分多样化,天文学家推测它可能拥有多达15个独特的恒星种群。与其他球状星团相比,半人马座欧米伽球状星团中的恒星表现出更高的金属度分散度。

虽然半人马座欧米伽一直是许多研究的对象,但其起源和金属富集史仍然是一个悬而未决的问题。

科学家对半人马座欧米伽球状星团中的395颗巨星进行了测量。最终发现了11颗金属丰度在 2.3到 2.52之间的恒星。

有意思的是,这些最缺乏金属的恒星似乎集中在星团中心,也可能被限制在一个狭窄的轨道内。研究人员注意到,这些恒星似乎没有表现出任何特殊的运动学特性,这导致它们与星团中更富金属的群体无法区分。

李海宁告诉记者,这些观测证据表示欧米伽球状星团在很早很早的时候,由两个金属丰度不同的恒星系统碰撞到一起,经过长时间的演化充分混合,所以在运动学上已经看不出差异了。

“这也是为什么我们通常在讨论恒星、星团或者恒星系统起源的时候,不能只借助于运动学或者动力学,因为这些特征随着演化时间的推移会逐渐地趋于平滑,最后我们还是要依靠它的化学特征,比如说金属丰度或其他元素的丰度来真正的揭开它的身世。”李海宁说道。(记者 张晔)

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