LAMOST助力天文学家发现宇宙中金属含量最低的球状星团遗迹
发布时间:
2022-03-07 17:04
修改时间:
2022-03-07 11:34
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近期,国际学术期刊《自然》杂志发表了一项重要成果,法国斯特拉斯堡天文台Nicolas Martin领导的国际研究小组在银河系内发现了一个金属元素含量(金属丰度)极低的星流,其金属含量仅为太阳的2500分之一,它是迄今发现的金属丰度最低的球状星团瓦解留下的遗迹。该项工作基于郭守敬望远镜(LAMOST)、盖亚卫星(Gaia)、夏威夷的加法夏望远镜(CFHT)、双子座北望远镜(Gemini North)及拉帕尔马加那利大望远镜(GTC)观测数据完成的。LAMOST光谱数据为该贫金属星团的确定奠定了基础。论文链接:点击这里

图1:星流示意图 (James Josephides and S5 Collaboration)

天文学家们将氢和氦以外的所有化学元素都称为金属,并以金属丰度来量化金属元素的含量。在太阳中,氢和氦占了总质量的98.5%,而其他所有金属元素的总和才占1.5%。恒星通过内部的核反应产生一系列金属元素,并在生命接近尾声时通过星风或超新星爆发等方式将内部物质抛射到星际空间。在一代又一代的恒星诞生和演化过程中,星际气体的金属元素含量逐渐升高。由于恒星诞生于星际气体,恒星的金属元素含量就反应了其诞生的时间。

星团通常是由数千到数百万颗恒星组成的天体,其中的恒星具有近似相同的年龄和金属丰度。球状星团是一类外观呈球形的星团,其中的恒星在引力作用下团结更为紧密。银河系球状星团普遍年老且金属丰度较低,之前的研究表明球状星团的金属元素含量似乎存在一个下限,约为太阳的金属元素含量的0.3%,金属丰度更低的球状星团一直没有观测到。这令天文学家非常不解,一些理论认为金属丰度更低的球状星团目前已经全部消失,而另一些理论甚至假设它们根本无法形成。

图2:星团示意图 (ESO)

一直以来,天文学家都致力于在银河系及其它星系里寻找并研究最古老的恒星,也就是银河系考古,从而沿着时间轴追溯窥探星系形成之初的样子,并尝试再现早期宇宙的故事。我们周围的绝大多数恒星都是在银河系中形成的,就像太阳一样。而银河系的一小部分恒星则是通过银河系吞并较小的星系时带来的外来移民,它们更倾向于处在银河系的外围区域,当小星系被银河系吸积之后,就将它们的恒星和星团贡献给了银河系。但由于潮汐的作用,进入银河系的有些星团在绕银河系运转时一直在散落恒星,便在天空中留下了“星流”。虽然星流中的恒星不再像星团恒星那样紧密团结在一起,但他们仍然保持着协同运动的特征,这个线索可以使天文学家通过分析恒星运动数据将它们识别出来。

研究人员利用盖亚空间望远镜(Gaia)收集的恒星位置和运动的详细数据,并采用一种新颖的算法将协同运动的恒星群分离出来。其中一个被称为“C-19”的新候选星流被发现。并借助夏威夷的CFHT望远镜的Pristine巡天项目数据,研究团队发现, C-19包含的恒星具有极低的金属元素含量。具体的金属元素含量还需要精度更高的光谱观测数据来确认。

幸运的是,C-19的成员星中,有一颗恰好是被LAMOST观测过的,LAMOST(4米口径)光谱数据显示这颗星的金属丰度约为太阳的2500分之一。这个数值挑战了传统认知中银河系球状星团的金属丰度下限。这为研究团队继续开展后续研究提供了重要的参考价值。

接着,研究团队利用夏威夷8.1米双子座北望远镜(Gemini North)测量了C-19星流中3颗成员星的金属丰度,并利用10.4米拉帕尔马加那利大望远镜(GTC)后续光谱观测测量了其中6颗成员星的金属丰度。结果进一步证实了该星流的恒星金属元素含量普遍异常低,平均值只有太阳金属元素含量的2500分之一(-3.38dex),远低于宇宙中其它已知的任何结构。

此外,金属丰度的弥散很小(95%的可能在0.18dex以内),加之有明显的钠元素丰度弥散,这些都是典型球状星团的特征,于是研究人员推断,C-19星流是银河系内球状星团瓦解形成的遗迹,并且这个球状星团一定是在宇宙初期就形成的。 C-19星流的宿主天体是迄今观测发现的金属丰度最低的球状星团,比已有球状星团的金属丰度最低值还小了一个数量级。该星流对于早期宇宙中恒星和球状星团的研究是一个突破性的发现。寻找C-19更多的成员星和测量其多种元素丰度的研究工作正在陆续开展中。远古时期的遗迹为我们了解宇宙非常早期的恒星形成以及星系的形成与演化都具有非凡的科学意义。

图3:银河系球状星团分布图,背景为盖亚卫星获得的银河系全景图。符号的颜色代表它们的金属丰度,对应于它们相对于太阳的金属元素含量。C-19星流的恒星用星号表示。(图片来源:N. Martin &斯特拉斯堡天文台;CFHT望远镜/Coelum;ESA/Gaia/DPAC)

该成果的研究团队包含了来自法国、加拿大、意大利、中国等18个单位的26名研究人员,其中曾是LAMOST特聘青年研究员的袁珍作为唯一来自中国的成员,深度参与了这个系列的工作。

国家天文科学数据中心为天文观测设备和研究计划提供数据与技术服务。

 

新闻来源:https://mp.weixin.qq.com/s/x_IkkoPjjSjGIYevY4EDEw

 

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Yang Hanxi
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