“我們的研究成果，挑戰(zhàn)了天文物理領(lǐng)域的經(jīng)典理論！”

1月19日，《自然》發(fā)表了中國科學(xué)院國家天文臺研究員劉超團隊與北京師范大學(xué)、南京大學(xué)、紫金山天文臺等單位研究人員合作的一項重大成果。研究認為“恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律”會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，刷新了人類對這一基本概念的認知。

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·庫魯帕評價：“這項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)。這對于深入理解銀河系中不同環(huán)境不同時間恒星形成的性質(zhì)非常重要?！?/p>

(資料圖)

解決了存在30年的爭議

廣袤宇宙中無時無刻不在誕生新的恒星，同一恒星形成區(qū)會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)上稱之為“恒星初始質(zhì)量函數(shù)”，它描述了一群恒星在誕生時，不同質(zhì)量的恒星所占的比例。

“恒星初始質(zhì)量函數(shù)在宇宙各處及各個演化階段是普適不變的?！边@一概念自1955年提出以來，作為基本假設(shè)，在星系形成與演化、星團結(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，成為天體物理教科書中的“經(jīng)典假設(shè)”。

“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?！闭撐暮献髡?、南京大學(xué)天文系教授張智昱說。

但由于找不到直接和有力的觀測證據(jù)，這個爭議存在了30年。

“當(dāng)時困擾我們的是太陽附近可用于分析的恒星數(shù)量太少，統(tǒng)計中的不確定度就很大，而對銀河系外星系關(guān)鍵信號的解釋強烈依賴物理模型，可能受到系統(tǒng)偏差影響?！眲⒊f。

此次發(fā)表的原創(chuàng)性成果發(fā)揮了我國重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠鏡（LAMOST）超大光譜數(shù)據(jù)樣本優(yōu)勢，同時結(jié)合了歐洲空間局蓋亞（Gaia）衛(wèi)星數(shù)據(jù)。LAMOST目前保持著最大樣本恒星光譜數(shù)據(jù)的世界紀錄，Gaia的性能正好和LAMOST互補，二者結(jié)合對恒星歸類很有幫助，能夠把“年老”的恒星挑出來。

正是這樣的優(yōu)勢，研究團隊得以“精挑細選”出9萬顆距離太陽1000光年以內(nèi)的恒星樣本。在保證誤差足夠小的同時，最大程度減少對物理模型的依賴。

觀測手段進步后，劉超團隊首次通過最直觀的恒星計數(shù)法，也就是“數(shù)星星”，對具有不同金屬元素含量和年齡的恒星進行統(tǒng)計，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)。

這么多恒星，如何“數(shù)”？劉超表示，他們根據(jù)恒星的亮度等物理特征，建立了一個模型，反推這些樣本可以代表多少顆恒星。

緊接著，根據(jù)每顆恒星不同質(zhì)量和所含金屬的比例，劉超把恒星分成不同小組分別進行統(tǒng)計。1000光年范圍內(nèi)的恒星分布是不均勻的，所以還要考慮到空間分布的特性。

“這9萬顆恒星中，有1/4不是單顆恒星，旁邊會有一個看不太清楚的伴星，甚至還有少量的多星系統(tǒng)，這些都要納入統(tǒng)計考量范圍內(nèi)。”劉超說。

當(dāng)所有情況都考慮在內(nèi)后，“數(shù)星星”這項工作才算完成。他們觀測到年輕的小質(zhì)量恒星數(shù)量比例明顯高于年老的恒星，金屬含量越高的恒星家族中小質(zhì)量恒星數(shù)量比例就越大。

“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)了天文界一直以來關(guān)于恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律是否變化的爭議?！眲⒊f。

“習(xí)以為常的可能是最值得反思的”

做基礎(chǔ)研究需要沉得下心，而挑戰(zhàn)經(jīng)典理論更是“基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)”。事實上，這項研究雖然重要，但在天體物理領(lǐng)域只有“一小撮人”在做。

從2015年開始到論文正式發(fā)表，劉超為什么能夠在這項研究中堅持8年？他說：“我的研究選題傾向于更加基礎(chǔ)的問題，希望能做‘改變教科書’的事。一些我們習(xí)以為常的理論，可能恰恰是最值得反思的地方。”

2015年7月，劉超得出了一個和當(dāng)前結(jié)果類似的結(jié)論。興奮之余，他主動聯(lián)系了《自然》編輯。

“不過當(dāng)時沒有9萬顆恒星，我們發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在選擇效應(yīng)問題，在選擇性和樣本性上不夠嚴謹?！眲⒊f。

又花了兩年時間，2017年劉超解決了選擇效應(yīng)的問題。緊隨其后的兩年，劉超陸續(xù)優(yōu)化了恒星空間分布測量的方法，解決了雙星問題。

直到2019年，前期技術(shù)困難和障礙基本被掃除，剩下的就是對研究發(fā)起“攻關(guān)”。2020年開始，劉超帶著論文第一作者、國家天文臺博士生李佳東開始了緊張的數(shù)據(jù)分析和處理，以及模型建立等工作。2021年初，結(jié)果出來了！

2022年春節(jié)，他們打開《自然》的投稿系統(tǒng)，將文章發(fā)送到了編輯部。一般情況下，《自然》只有兩輪審稿，萬萬沒想到，劉超和審稿人經(jīng)歷了5個來回的“拉扯”。

“這9萬顆恒星如果不分組，能不能重現(xiàn)以前的結(jié)果？”“希望從恒星亮度分布的角度，重新檢測你們的方法”……面對這項挑戰(zhàn)經(jīng)典理論的研究成果，3位審稿人先后提出了近70個問題，要求團隊做出不同的驗證。

直到2022年10月26日，劉超才接到論文接收通知。“9個月的審稿歷程，我們經(jīng)過不斷重復(fù)驗證，對這個結(jié)果越來越有信心。審稿人的問題很尖銳，他們不是雞蛋里挑骨頭，而是讓我們的結(jié)果變得更加可靠。”劉超說。

還只是“破門”的工作

這一突破性成果，對天體物理學(xué)領(lǐng)域的多個研究產(chǎn)生了影響。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)演化模型，還是理解恒星形成過程、分析雙星演化的物理機制、探測太陽系外行星，甚至包括對恒星級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)。

“這如同一把會隨著環(huán)境變化的‘尺子’，不能用同一把‘尺子’丈量宇宙的不同地方，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。”劉超說。

遺憾的是，這次研究雖然挑戰(zhàn)了經(jīng)典理論，但并沒有給出更好用的恒星初始質(zhì)量函數(shù)變化參數(shù)?！斑@只是‘破門’的工作，我們會順著這個思路推動進一步研究?！眲⒊硎?。

幸運的是，我國在不久的將來會發(fā)射中國空間站工程巡天望遠鏡（CSST），劉超團隊將借助CSST完成更多的觀測工作。

劉超表示，CSST能夠觀測到大半個銀河系、看到幾十億顆恒星。以往恒星質(zhì)量在千分之八太陽質(zhì)量以下就是“失敗的恒星”。有了CSST，天文學(xué)家甚至可以觀測小到千分之一太陽質(zhì)量的天體，并獲得這類天體更精確的質(zhì)量函數(shù)。（高雅麗）