2023年1月底，《自然》雜志發(fā)表的一篇論文引起了天文學(xué)界的廣泛討論：中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)以前一直被視為固定不變的“恒星初始質(zhì)量函數(shù)”竟然隨著金屬豐度和年齡發(fā)生顯著變化。這個(gè)天文學(xué)中基礎(chǔ)物理概念的變化將會(huì)影響到人類(lèi)對(duì)恒星形成、星系演化等多個(gè)領(lǐng)域的理解。
那么，這個(gè)“恒星初始質(zhì)量函數(shù)”究竟是個(gè)啥？它變不變化為什么重要？恒星的質(zhì)量能測(cè)量嗎？好測(cè)嗎？怎么測(cè)？測(cè)出來(lái)能有什么用？本文就來(lái)講一講關(guān)于測(cè)量恒星初始質(zhì)量函數(shù)的故事，看看這個(gè)由中科院國(guó)家天文臺(tái)、南京大學(xué)、中科院紫金山天文臺(tái)組成的合作小組是如何刷新人類(lèi)對(duì)初始質(zhì)量函數(shù)的經(jīng)典認(rèn)知的。
(資料圖片)
恒星究竟是怎么形成的呢？
人類(lèi)從居住在洞穴的遠(yuǎn)古時(shí)期，就開(kāi)始關(guān)注頭頂?shù)拿ＣＰ呛印７毙屈c(diǎn)點(diǎn)，有的亮，有的暗，閃爍在從洞穴、到刀耕火種、再到如今科技社會(huì)的夜空。這些星辰是怎么形成的呢？人類(lèi)把自己的思考畫(huà)在了洞穴的巖壁上、刻在了竹簡(jiǎn)上、記錄在了望遠(yuǎn)鏡獲得的數(shù)據(jù)里，一步一步完善著自己對(duì)這個(gè)宇宙的認(rèn)知。
我們現(xiàn)在知道，恒星形成于星際物質(zhì)密度較高的分子云，其中混合著宇宙初期的原始?xì)怏w、之前每一代恒星死亡之后的灰燼以及周?chē)阈菄姵龅膭×倚秋L(fēng)等。當(dāng)分子云中比較致密的團(tuán)塊或云核發(fā)生坍縮時(shí)，其密度會(huì)越來(lái)越大，以致不斷吸入周?chē)奈镔|(zhì)，核心溫度也越來(lái)越高，最終發(fā)生核聚變反應(yīng)，誕生一顆恒星。
那么問(wèn)題來(lái)了，一個(gè)分子云中長(zhǎng)幾顆恒星合適啊？分子云中氣體怎么分配？每個(gè)恒星吸多少氣體？最終能長(zhǎng)多大？
為了回答這些問(wèn)題，天文學(xué)家們定義了一個(gè)基礎(chǔ)物理概念：恒星初始質(zhì)量函數(shù)。函數(shù)描述的就是在一群恒星誕生時(shí)，不同質(zhì)量的恒星所占的比例。
這是一個(gè)既基礎(chǔ)、又重要的物理概念。說(shuō)基礎(chǔ)，是因?yàn)檫@個(gè)函數(shù)給出了一個(gè)恒星系統(tǒng)的質(zhì)量分布。不管這個(gè)恒星系統(tǒng)是星團(tuán)還是星系，最終的恒星構(gòu)成都由這個(gè)函數(shù)來(lái)描述，所以說(shuō)這個(gè)函數(shù)在天體物理中有非?；A(chǔ)的地位。那么這個(gè)函數(shù)為什么重要呢？這就得從恒星質(zhì)量對(duì)恒星自己和它所在的星系意味著什么說(shuō)起了。
不同質(zhì)量對(duì)恒星意味著什么？
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，一個(gè)恒星的質(zhì)量對(duì)自身來(lái)說(shuō)幾乎意味著一切。
影響恒星壽命
恒星之所以能發(fā)光，是因?yàn)槟芰縼?lái)自于其內(nèi)部的熱核反應(yīng)。恒星質(zhì)量越大，內(nèi)部的溫度就越高，熱核反應(yīng)也就越劇烈，能參加反應(yīng)的元素也越多。所以大質(zhì)量的恒星更熱更亮，也能生產(chǎn)出更重的元素。但是原料總有用完的一天，大質(zhì)量恒星飛快地燃燒自己，壽命也就比小質(zhì)量的恒星短得多了。在它們熾熱明亮又短暫的一生結(jié)束后，會(huì)通過(guò)超新星爆發(fā)重新把自己的身體融于星際空間的氣體中，等待著下一次再形成恒星的機(jī)會(huì)。而一起形成的質(zhì)量小的恒星在大質(zhì)量恒星死亡的焰火背景下，仍然可以穩(wěn)定地存在更長(zhǎng)的時(shí)間。
影響星系亮度
一顆恒星是這樣，那由恒星組成的星團(tuán)或者星系呢？
我們已經(jīng)知道，質(zhì)量大的恒星活不長(zhǎng)。如果一個(gè)星系還有好多又熱又亮的大質(zhì)量恒星，那么我們至少就可以知道，這兒的恒星形成剛發(fā)生沒(méi)多久，還是一個(gè)相對(duì)年輕的地兒。反過(guò)來(lái)，如果一個(gè)星系只剩下相對(duì)冷一些暗一些的質(zhì)量小一點(diǎn)兒的恒星了，那我們至少可以判斷，這地兒好久都沒(méi)有新的恒星形成了，估計(jì)年紀(jì)不小，已經(jīng)不太活躍了。
這說(shuō)的還只是一個(gè)星系的溫度和亮度，如果我們觀測(cè)得更細(xì)節(jié)一些，去分析星系的化學(xué)成分，檢查它究竟是由什么樣的元素（甚至是同位素）組成的，也能發(fā)現(xiàn)不同質(zhì)量的恒星對(duì)星系帶來(lái)的影響。
影響星系成分
剛才我們已經(jīng)提到，不同質(zhì)量的恒星內(nèi)部能夠進(jìn)行的核反應(yīng)不太一樣，大質(zhì)量的恒星能夠合成對(duì)溫度要求更高的核反應(yīng)產(chǎn)物。所以即使一顆大質(zhì)量的恒星已經(jīng)死去，它所產(chǎn)生的獨(dú)特的元素依舊留在星際空間的灰燼里，這是它曾經(jīng)存在的證據(jù)，記錄著它對(duì)這個(gè)星系的貢獻(xiàn)，并影響著下一代恒星的元素組成。
所以對(duì)于一顆恒星來(lái)說(shuō)，發(fā)多亮的光、散發(fā)多熱的溫度、活多長(zhǎng)的時(shí)間、產(chǎn)生什么樣的物質(zhì)，這都由恒星的質(zhì)量來(lái)決定。對(duì)于一個(gè)星系來(lái)說(shuō)，構(gòu)成它的恒星各自多重也就直接影響到了整個(gè)星系的溫度、亮度，以及化學(xué)組成。“恒星初始質(zhì)量函數(shù)”這個(gè)用來(lái)描述恒星質(zhì)量分布的基礎(chǔ)概念，正是天文學(xué)家用來(lái)了解和描述這一切的一把尺子。
從1955 年“恒星初始質(zhì)量函數(shù)”這個(gè)概念被提出以來(lái)，天文學(xué)家通常都默認(rèn)這把描述恒星質(zhì)量分布的尺子在宇宙各處都是一樣的。在這把尺子的基礎(chǔ)上，天文學(xué)家構(gòu)建星族演化模型，描述星系的演化，計(jì)算系外行星的分布和引力波的概率，一步一步豐富著我們認(rèn)知中的宇宙圖景。
可是，這把一模一樣的尺子，能夠用來(lái)描述宇宙在漫長(zhǎng)演化中的所有恒星形成嗎？如果恒星在不同環(huán)境中形成，這把尺子，會(huì)不會(huì)也不一樣？
我們只能用實(shí)踐，也就是天文學(xué)觀測(cè)，來(lái)給這個(gè)問(wèn)題一個(gè)確定的答案。
恒星的質(zhì)量，怎么測(cè)？
既然方向有了，那就讓我們來(lái)測(cè)量不同環(huán)境中恒星的質(zhì)量分布吧！
可是讓天文學(xué)家頭疼的是，測(cè)量恒星質(zhì)量是一件困難重重的事。
最理想的情形，莫過(guò)于能瞄準(zhǔn)宇宙中不同類(lèi)型的星系，完整地測(cè)量它們的恒星質(zhì)量分布?？墒敲鎸?duì)遙遠(yuǎn)的星系們，我們的望遠(yuǎn)鏡根本分辨不出單個(gè)的恒星，更別說(shuō)能給它們各自細(xì)致地稱(chēng)重了！
這個(gè)事實(shí)令人沮喪，可也同時(shí)給了一些天文學(xué)家靈感：既然星系中活的恒星測(cè)不了，我們可以測(cè)死了的呀！我們已經(jīng)知道，不同質(zhì)量的恒星進(jìn)行的核反應(yīng)不一樣。它們生產(chǎn)出的元素和同位素在恒星死后留存在星際空間里，如果分析星際空間中的元素和同位素組成，不就可以推斷出這個(gè)星系以前的恒星質(zhì)量分布了嗎！
這些天文學(xué)家們于是借助星系化學(xué)演化模型的幫助，發(fā)現(xiàn)在恒星形成活躍的星系中，大質(zhì)量恒星的比例遠(yuǎn)比其它星系更高。這個(gè)結(jié)果很明確地告訴我們，至少?gòu)乃廊サ暮阈腔覡a里我們可以看到，“恒星初始質(zhì)量函數(shù)”這把尺子在不同星系環(huán)境中是不一樣的！
那么對(duì)于還活著的恒星，情況究竟怎樣？我們是否能夠用最直接的數(shù)星星的方法，數(shù)一數(shù)各個(gè)質(zhì)量的恒星究竟有多少？
要想達(dá)成這個(gè)目標(biāo)，我們的目光還得回到我們生活的銀河系里來(lái)，回到太陽(yáng)附近的區(qū)域里來(lái)。在這里，我們可以分辨出單顆的恒星，測(cè)量它們的距離，分析它們的物理參數(shù)，從恒星本身出發(fā)，給它們稱(chēng)稱(chēng)重。
不同于溫度和亮度，恒星的質(zhì)量不是一個(gè)可以直接觀測(cè)的物理量。對(duì)于少數(shù)雙星系統(tǒng)的恒星來(lái)說(shuō)，人們可以通過(guò)解析它們互相繞轉(zhuǎn)的軌道，算出兩顆星各自的質(zhì)量。但是對(duì)于單個(gè)的恒星來(lái)說(shuō)，給它們稱(chēng)重需要光譜、測(cè)光、距離測(cè)量、以及恒星演化模型的共同努力。
具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)光譜測(cè)量出恒星的溫度和金屬豐度（天文學(xué)家把比氫和氦重的元素都叫作金屬，金屬豐度就是這些元素的總含量），再結(jié)合測(cè)光得到的恒星亮度，消去距離帶來(lái)的影響（同樣一顆星，距離遠(yuǎn)就會(huì)顯得暗），把這些可以測(cè)量的量輸入恒星演化模型，就可以得到恒星模型中對(duì)應(yīng)這個(gè)溫度、金屬豐度、亮度的恒星質(zhì)量了。
準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)這種方法可以得到的是一群恒星現(xiàn)在的質(zhì)量分布。如果我們想要研究恒星剛形成時(shí)的“初始”質(zhì)量函數(shù)，最好這些恒星的溫度和亮度與它們剛形成時(shí)相差不大，這樣一來(lái)“現(xiàn)在”的質(zhì)量函數(shù)就幾乎可以等同為“初始”質(zhì)量函數(shù)了。能滿(mǎn)足這樣要求的，就是小質(zhì)量的恒星了。質(zhì)量小的恒星核反應(yīng)比起它的大質(zhì)量同胞來(lái)說(shuō)溫柔得多，恒星演化平穩(wěn)溫和而又緩慢，從形成到現(xiàn)在變化也不太大，正是用來(lái)數(shù)一數(shù)初始質(zhì)量函數(shù)的上好選擇。
目標(biāo)：數(shù)一數(shù)太陽(yáng)附近恒星的質(zhì)量分布！
“準(zhǔn)備就緒，開(kāi)始計(jì)數(shù)！”
這個(gè)由國(guó)家天文臺(tái)、南京大學(xué)、紫金山天文臺(tái)科研人員組成的合作小組已經(jīng)在一起工作和討論很長(zhǎng)一段時(shí)間了。他們之中有研究銀河系結(jié)構(gòu)的，有研究恒星演化的，有測(cè)量恒星參數(shù)的，有做星系化學(xué)演化的，有鉆研初始質(zhì)量函數(shù)理論的。不同研究方向的人聚在一起，為測(cè)量太陽(yáng)附近恒星的質(zhì)量分布，絞盡腦汁讓每一個(gè)細(xì)節(jié)都沒(méi)有紕漏。
每一次人類(lèi)知識(shí)疆界的拓展都是站在巨人的肩膀上。這個(gè)研究小組的工作也額外仰仗了兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡巨人：中國(guó)的郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST），和歐洲空間局的蓋亞空間望遠(yuǎn)鏡（Gaia）。
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