科技日報記者 李大慶 通訊員 黃京一
北京時間4月30日凌晨，國際科學期刊《自然·天文》在線發布了我國天文學家主導的一項重要發現。中科院國家天文臺研究員趙剛領導的中日合作研究團隊首次揭示了銀河系內一種恆星——快中子俘獲過程元素含量超高恆星的「身世」之謎，為銀河系併合事件提供了確切和可靠的化學證據，為基於化學DNA識別銀河系中的「外來移民」提供了新的線索。
萬物之根：星星的DNA
自然界的萬物，大到宇宙中的恆星，小到地面上的螞蟻最終都是由化學元素周期表中的化學元素所組成。而這些元素從何而來呢？
科學家認為，宇宙誕生之初，大爆炸產生了大量的氫、氦和極其微量的鋰，隨後這波大爆炸物質開始冷卻，直到2億年時宇宙中才出現了第一代恆星，恆星的核心就像化學元素的「鍊金爐」，可以逐漸煉成各種化學元素。而這些恆星以極其壯烈的方式—超新星爆炸結束自己短暫的一生，將其製造的金屬元素散播到星際之中，為後代恆星的產生提供原料。宇宙中比鐵重的元素主要是通過原子核與中子撞擊產生，如果被原子核所捕獲的中子速率比中子衰變的速率快，該過程產生的元素就被稱為快中子俘獲過程元素。像人們熟知的貴金屬黃金，製造原子彈所用的鈾，在地殼中含量僅有0.000106%並被稱為最稀有元素的銪，都屬於比鐵重的快中子俘獲過程元素，也就是重金屬元素。天文學家發現恆星很大程度上保留了它誕生時所處環境的化學成分，因此，長大後的恆星身上攜帶的化學成分就像生命密碼DNA一樣，成為天文學家揭秘恆星起源的重要線索。
那麼，星星離我們如此遙遠，星光又如此微弱，天文學家如何獲知這些星星的奧秘呢？這要感謝19世紀的一位德國光學儀器師——夫琅和費。他第一次發現了太陽光譜。通過光譜，天文學家可以測量出恆星的溫度和光度，推斷它的大小、年齡、化學成分，甚至可以重現這顆恆星的「星路」歷程。
LAMOST與星空（國家天文臺供圖）
中國天文學家自主研製的LAMOST望遠鏡，又稱郭守敬望遠鏡，是目前世界上光譜獲取率最高的天文望遠鏡，巡天七年，獲取了1125萬條光譜，這些星光裡的「彩虹」為天文學家探索銀河系形成與演化及星系物理等前沿科學的種種奧秘提供了最有力的數據支持。
奇特發現：銀河系中的「金庫」
銀河系的形成和演化一直是天文學家探究的熱門問題。天文界更傾向的理論認為，宇宙中一開始有很多小分子雲，這些分子雲各自形成很小的包含恆星和氣體的矮星系。所謂矮星系就是擁有恆星數量較少且總體質量較小的星系。這些矮星系不斷地碰撞合併形成更大的星系，也就是銀河系的雛形，最後這個初始的銀河系不斷地吞噬附近的矮星系，最終形成了現在規模的銀河系。
天文學家一直在尋找矮星系被銀河系「吞吃」的證據。如能獲知銀河系中現有的恆星哪些是銀河系原有的「土著居民」，哪些是來自於近鄰矮星系的「外來移民」，這對研究銀河系形成與演化的歷史大有幫助。「我們這項工作就是在這方面取得了一項實質性的研究進展。」論文第一作者、國家天文臺邢千帆博士說，依託郭守敬望遠鏡的光譜數據，研究團隊在銀暈中發現了一顆快中子俘獲過程元素含量超高的重金屬恆星。它的銪相對於鐵的比率是太陽的10倍之多，大大超出了同類恆星的平均值。它攜帶了大量包括金元素在內的重元素，堪稱銀河系的「金庫」。目前天文學家在銀暈中僅發現了30餘顆該類恆星。這顆稀有的恆星來自哪裡？它是銀河系裡的「原始居民」還是來自近鄰矮星系的「外來移民」？一系列的問題推動著天文學家繼續探尋。
DNA鑑定：揭示真實身份
被銀河系吞噬的矮星系與目前倖存的矮星系具有相近的質量，它們擁有的成員星也具有相似的化學特徵，通過研究銀河系附近矮星系成員星的化學組成，我們便可獲知矮星系家族裡恆星的化學特徵，從而像做DNA鑑定一樣把銀河系內來自矮星系的恆星篩選出來。
研究人員發現銀河系近鄰矮星系的成員星中α元素（鎂、矽、鈣和鈦等）的含量明顯低於銀暈內恆星的平均值。基於此，目前「α元素含量低」的特徵就像一條DNA生命密碼一樣成為了篩選銀河系中外來「移民」的有效判據。
邢千帆等人對這顆身份可疑、重金屬元素含量超高的恆星開展了α元素含量的DNA鑑定。經測量，這顆恆星的α元素含量異常低，僅僅為同類恆星的1/5，而具有類似化學成分的恆星在銀河系近鄰矮星系中卻是普遍存在的。因此，初步斷定這顆銀暈中的恆星極可能是銀河系併合矮星系時帶來的「移民」。
圖為新發現的這顆銀河系「外來移民」示意圖（《中國國家天文》繪製）
為了進一步確認這個「外來移民」的身份，天文學家藉助日本的8米光學望遠鏡進行了高解析度光譜觀測，確定了這顆星更加精細的化學成分，獲取了其全身上下24種元素的含量，並分別與矮星系恆星和銀暈場星做了細緻比較，發現這顆恆星的化學成分與矮星系恆星高度吻合，明顯不同於銀河系的暈族恆星。這顆恆星的身世和家族史終於浮出水面，最初果然是來自於被銀河系瓦解的矮星系。
科學家描繪了精彩的故事畫面：這顆奇特恆星最開始居住的矮星系「國度」實在沒辦法和銀河系這個強大的「國度」抗衡，最終在不斷地撕扯掙扎中被銀河系徵服吞噬，矮星系「王國」攜帶包括這顆星在內的恆星成員一起投奔了銀河系。
論文的通訊作者趙剛認為，這顆重金屬元素含量超高恆星的身世揭秘為研究恆星起源提供了新的線索。目前銀河系中已發現的30多顆快中子俘獲過程元素含量超高的恆星，極有可能全部來自於被銀河系瓦解掉的矮星系。因此，在天文學上，「快中子俘獲過程元素含量超高」將成為繼「α元素含量超低」之後又一個恆星的「化學DNA密碼」，幫助天文學家篩選銀河系中的外來恆星「移民」。
來源：科技日報 文中圖片均由作者提供
編輯：嶽靚
審核：王小龍