“不应该存在的”原初金属丰度晕恒星?

(昨天ESO的新闻发布中出现了一个非常扎眼的标题:”The Star That Should Not Exist”,引得无数科普网站转载报道,文章本身也发表在了今天出版的Nature杂志上,虽说这个题目颇有标题党之嫌,但是这个工作还是非常重要的,这里正好给大家介绍一下)

文章:An extremely primitive star in the Galactic halo

  • 作者:Elisabetta Caffau1, Piercarlo Bonifacio, Patrick François, Luca Sbordone1, Lorenzo Monaco, Monique Spite, François Spite, HansG. Ludwig, Roger Cayrel, Simone Zaggia, François Hammer, Sofia Randich, Paolo Molaro, Vanessa Hill
  • 论文索引:1 September 2011 issue of the journal Nature
  • 编辑整理:南京大学 黄崧

他们发现了什么?:

Carnegie天文台有几位长期从事恒星金属丰度和极贫金属星研究的天文学家,耳濡目染下,对这个领域也渐渐的产生了兴趣并开始初步的有了一点儿了解,简单的说,宇宙的第一代恒星,所谓的PopIII恒星一直是天文学家梦寐以求的宝藏,这些恒星,对研究恒星演化和宇宙化学演化都有着极其重要的意义,而且如果真的是完全没有金属的第一代恒星,其H,He,Li元素的比例可以作为宇宙大爆炸核合成的最直接观测证据,从而对宇宙学模型进行检验,不过目前的观测还没有找到PopIII恒星存在的证据,反而发现了很多金属丰度非常低,但其元素丰度的模式仍然符合来自被核塌缩超新星增丰后的星际介质的模型的极贫金属恒星,这些恒星为研究宇宙增丰历史,恒星化学演化以及早期恒星形成提供了一扇新的窗户;不过恒星这类靠内部产能和自引力对抗的天体完全过着”Live fast, die young”的朋克生活,大质量,高光度的恒星在短暂的耀眼后 (当然,这个短暂指的是相对宇宙时标而言) 会以某种形式,比如超新星暴发走向死亡,并把大量的金属元素抛向星际空间,“污染”本来接近纯净的原初气体,只留下那些恒星质量比太阳质量还要低些的矮星,藏起自己恒星老祖宗的身份,在银河系某个角落谦卑的发着光;由此可见,寻找这类恒星的工作是非常困难的,往往需要依赖大视场的巡天,从大量的恒星中按照某种方法,比如颜色进行初选,对得到的候选按照一定优先顺序进行大望远镜下的高分辨率光谱验证,本文报道的就是欧洲南方天文台的科学家在SDSS巡天中选出的一颗贫金属候选星,被证明为不仅拥有非常极贫的低金属丰度,而且展示了一些很好玩的性质,关于本文的发现,推荐大家看一下上海天文台天之文网站翻译的ESO新闻发布稿,下面我会简单的介绍一下文章的结论和意义,对几个有趣的小问题稍微的展开一下

主要结论:

本文的主要结论,很直接,就是发现了一颗恒星,通过光谱观测,得到了很低的金属丰度的证据,通过ESO 8m VLT望远镜上面的两个光谱神器:X-Shooter和UVES的观测,得到了某些金属丰度的估计或者上限,结论如下表:


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Fig.1: UVES观测得到的某些元素的丰度估计。

值得解释一下的是,对于一个恒星光谱,得到其不同元素的丰度和丰度比值的方法是比较复杂的,虽然看到某种元素的吸收线在光谱中存在也意味这这种元素的存在,但是单独对某根谱线的测量并不能很好的限制丰度,往往需要对整个观测范围内的光谱做恒星大气模型的建模,在其中以测量得到的恒星表面温度,质量等为基本参数,加入各种细致的考虑,比如如何考虑micro turbulence,需不需要使用非局部热动平衡(NLTE)的模型 (严格的来说,显然是应该使用非局部热动平衡的模型,但考虑到处理难度,很多情况下会对NLTE引起的改变做一个估计,合适的情况下就用LTE来近似了),通过这种建模同时可以得到各种金属元素的丰度估计或者是上限估计,这也是为什么使用不同的模型,比如上表中的1D,3D表示的一维和三位模型,会给出有些差异的结果,具体的内容请参考文章;另外,对于恒星的金属丰度,有两种表示方法,第一种是绝对的金属丰度: Z, 即比He元素中的所有元素的质量总和的比例,本文中说的 Z < 1.5 \times 10^{-5} 使用的就是这样的描述;但多数情况下会选择使用某种元素和氢元素的比值来考虑,比如,对于金属元素X,其丰度常表示为 A_X= log(X/H) +12,上面表格中的丰度就是用这种方法表示的,并且把太阳对应的丰度值放在了最后,在很多场合下,为了直观和方便,会直接使用太阳金属丰度Z_{\odot}作为单位进行度量:[X/H]=log(X/H)_{star}-log(X/H)_{\odot}


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Fig.2: UVES观测的该星最显著的金属吸收线Ca H,K线区域的光谱,其中图中用IS表示的是来自星际介质,而非恒星大气的吸收。

这颗星真的不该存在吗?:

为什么ESO的文章反复提到了“不应该存在”的字眼呢?这个说法其实基于的是目前对于真正的第一代恒星,所谓的星族III恒星形成的理论研究,由于那时的星际介质,包括形成这些恒星的分子气体中几乎没有任何金属元素存在,没有金属元素的精细结构发射线构成的有效辐射冷却途径,使得分子云团的温度很高(几百K),决定分子云团碎裂,坍缩形成恒星的Jeans质量也比现在看到的恒星形成区里面的要大的多,根据预测,这样的过程会形成一些质量很大,光度和温度都很高的恒星,他们在很短的时间内迅速演化,死亡,通过超新星增丰原初气体,理论研究显示,到他们死亡时,应该可以形成一直到Fe为止的元素周期表前24种金属元素 (有必要再说一下,天体物理学上把所有He以后的元素都称为金属)。随着星际介质中金属丰度增多,以C和N元素为首的金属元素开始能够通过精细结构线产生有效的辐射冷却,再形成的恒星,其质量分布就开始向低质量端转移;不过,目前很多人认为存在着一个临界丰度,直到星际介质中的某些元素比例达到了这个值,像本文这样的低质量(<0.8太阳质量)的恒星才可能开始形成;而本文得到的这颗奇怪恒星的金属丰度远远低于这个理论预测的临界值,处于理论给出的“禁区”之中,这也是为什么说他“不应该存在”的原因了

不过不得不说的是,毕竟这样说法的根据是还不成熟的高红移恒星形成的理论研究,这样的研究,无论是基于理论计算还是数值模拟,都不可避免的有各种问题,更何况,如何证明PopIII恒星的真实存在本身就是一个很大的问题,虽然可以通过极高红移处的星系研究,对宇宙再电离过程的研究进行推测,但毕竟就好比用化石研究恐龙的家庭生活,充满了各种无法消除的不确定;而且,目前已经有科学家提出自己的模型,解释在极高红移宇宙如何形成小质量恒星,也许本文观测的“不可能”的恒星恰恰是另一些理论的佐证呢。此外,尽管Nature和Science的文章影响大,但是这样的文章往往也会有很多的问题,本文就不例外,Carnegie的一位科学家就指出,根据本文的观测,不可能对氧元素的丰度进行估计,只能够使用某个假定的值,而对这个假定的调整,是会潜在的影响本文的结论的,当然,这并不是说本文的工作不好,只是提醒大家,尤其是刚刚开始认真阅读文献的同学,S&N的文章,其实也是不保险的,一定要带着合理质疑的眼光去审视。


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Fig.3: SDSS J1029151172927的Li元素丰度与Fe和C元素丰度与其他贫金属恒星的比较,可以看到和虚线指示的Spite Plateau位置的明显偏离;另外注意到和另外一颗金属丰度类似的恒星:HE 132722326比较,两颗星在Li丰度和[Fe/H]以及[C/H]的分布图上的位置变化很大,这意味着Li元素的消耗途径是和其他元素丰度没有太大关系的

本文的另一个有意思的地方是这颗恒星中,几乎可以说完全没有观测到Li元素的存在。提到锂元素,不能不提本文作者列表中的Spite & Spite (似乎是夫妻?),他们在80年代同样在Nature上发表的工作,揭示出了在银河系晕中的老年星族II中,Li元素丰度随恒星表面有效温度变化的曲线在低温度端存在一个”平台”(称为”Spite plateau”),根据大爆炸核合成和恒星内部核反应过程的研究,当恒星核心温度超过2百万度的时候,大爆炸形成的原初Li元素会通过核聚变反应消耗掉,而对于那些表面温度低的小质量恒星,其一生中,核心温度都不会上升到可以引发Li聚变反应的程度,因此,原初的Li丰度会保留下来,并在上面提到的丰度-温度曲线上形成一个平台,这个工作的重要之处在于第一次提供了一个直接测量大爆炸核聚变产生的Li元素丰度的手段,并且展示出了和理论预测的很大不同,给研究宇宙学和恒星物理的天文学家同时提供了新的研究素材,目前甚至有人用Li元素的丰度限制大爆炸模型,对宇宙学中的一些基本问题提出新的观点;不过抛开这些不谈,对本文的主角,这样一颗表面有效温度5700K,0.8太阳质量的恒星,其中的Li元素应该能在很大程度上被保留下来,而完全看不到Li元素,确实有些出乎意料,虽然这样不是第一次在低金属丰度恒星中看到对Spite Plateau的明显偏离;这样的结果可能暗示着这颗恒星的演化途径中的不寻常之处,比如其实他原先不是一颗小质量的恒星,其核心温度在他一生的某个时刻曾经超过2百万度,Li元素也随之消耗掉,然后通过某些过程,他才变成了现在的模样,等等

本文最大的魅力在于用一颗恒星给我们展示出了极贫金属恒星研究的诱人之处,而必须要说的是,这样的恒星,应该不会很稀少,理论预测也是,观测选择上也是;对于ESO天文学家,他们仅仅利用了SDSS巡天中30%的南天天区进行筛选,就得到了2899颗金属丰度低于太阳丰度4分之1的贫金属恒星,而根据预测,其中可能有5-50颗恒星是和本文主角一样的极贫金属恒星!

延伸阅读:

1. A Galactic Fossil: ESO另外一次关于极贫金属星的报道
2. A Glimpse of the Young Milky Way: 同样是ESO对极贫金属星的报道

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10 Replies to ““不应该存在的”原初金属丰度晕恒星?”

    • 快乐中微子

      Firefox 6.0.2 Windows 7

      我再罗嗦几句。 这个是方括号[ ]的定义,是某个值和太阳值的关系,其中log()里面的单位无所谓数目或者质量,只要恒星和太阳的log()单位相同就可以了。而黄同学文中给出的是错误的。原文An extremely primitive star in the Galactic halo给出的太阳丰度(表一最后一栏)是下面的公式定义的,一般计算太阳的log()用数目为单位,且都归一到 log(H)=12.0。

      另外Li 是个非常有个性的元素,无论观测还是理论,无论太阳还是宇宙。
      例如 {\bf The~solar~Li} depletion cannot be ex-plained by standard models based on the mixing length theory of convection but requires additional mixing below the convection zone (Brun, Turck-Chi`eze & Zahn 1999; Charbonnel & Talon 2005)

      例如
      The accurate measurement of the baryonic density from the fluctuations of the Cosmic Microwave Background, achieved from the WMAP satellite opened up the {\bf "Cosmological~Lithium~Problem", i.e. SBBN with the measured baryonic density implied a lithium abundance a factor of 3 to 4 higher than the Spite Plateau.

      所以Li最好少碰。。。

  1. 快乐中微子

    Firefox 6.0.2 Windows 7

    我又挑刺了,
    金属丰度,只有一个定义,那就是 \bf mass \quad fraction \quad of \quad metals ,即比He元素重的所有元素的质量总和与所有元素的比例. 至于有些人用某种元素和氢元素的比值来做比较, 那也只能用氧(占据主导地位)或者铁(人家就叫金属!),其他的元素连考虑都不用考虑。 其实就是氧或者铁单独都不能代表金属丰度。

    • Zheng Cai

      Firefox 3.6.18 MacIntosh

      金属丰度的定义我听说的(至少高红移星系)也是重于He 元素的abundance/(H abundance),不过无所谓,mass fraction或abundance也许只是一个定义的差别。

  2. Zheng Cai

    Firefox 3.6.18 MacIntosh

    大赞astroleaks文章 !(做过pop III star都没有注意到这篇文章)

    银河系内观测极贫金属星可以对Pop III star的质量分布,形成历史有重要的限制,不过观测到的星都在临界金属丰度以上也不代表高红移就没有Pop III star呀?(顺便提一下,临界金属丰度大概是10^-4Z_sun,在临界金属丰度以上,恒星演化的IMF, 温度等等性质将趋于一颗正常恒星。在临界金属丰度一下,金属冷却速度小于H,He,H_2的冷却速度,恒星性质将趋于和Pop III star一致,如果能发现恒星小于临界金属丰度就已经是重大breakthrough了。不过,一颗Pair instability 超新星爆发就足以使整个Halo的金属丰度远远超过这个临界值,从而阻碍pop III star进一步演化。所以即使在高红移找pop III star也很难,因为必须去找非常非常年轻的星系,在那里,金属的反馈还不是很多。但是年轻的星系可能比较小比较暗,有时高红移,发现谈何容易。但如果坚信大爆炸理论,就应该坚信在一定时刻是有pop III star的,不在低红移处,而在高红移处。

    • Kuailezhongweizi

      Safari iPad  iOS 4.3.3

      如果找不到,和没有是否一样?我个人对发现零金属恒星持悲观态度。我认为地球人在可预见的未来不可能分辨红移10处的恒星。

  3. Zheng Cai

    Firefox 3.6.18 MacIntosh

    更新说一点,最近通过了一个128orbit的WFC3对HUDF场加深的观测,使得这个场近红外(Y,J,H)有望达到>~30等的深度。我预测孕育第一代恒星的星系就可以在这个场给出的candidate中找到。用30米地面望远镜followup,10年之内搞定。

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