天文大數(shù)據(jù)“重塑”銀河系考古

千百年來(lái)，人們?yōu)榱苏J(rèn)識(shí)這廣袤銀河和浩瀚宇宙，從未停止過(guò)探索的腳步。如今，一只只瞄向宇宙的“觀天巨眼”幫助科學(xué)家逐步看清了銀河系早期的形成演化歷史，翻開了銀河史冊(cè)的重要篇章。作為盤星系的普通代表，銀河系史冊(cè)將成為天文學(xué)家理解星系形成和演化，追溯從極早期宇宙一直到今天所發(fā)生的精彩故事的經(jīng)典之作。

此次，助力天文學(xué)家揭示銀河系塵封歷史的“功臣”有兩位：一位是我國(guó)自主研制、中科院國(guó)家天文臺(tái)運(yùn)行的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST），另一位則是歐洲空間航天局天體測(cè)量衛(wèi)星蓋亞望遠(yuǎn)鏡（Gaia）。它們一個(gè)是地面望遠(yuǎn)鏡，一個(gè)是空間衛(wèi)星，就是這樣的天地牽手、珠聯(lián)璧合，才有了今天刷新銀河系認(rèn)知的新突破。

天文學(xué)家正逐步打破“只緣身在此山中，不識(shí)廬山真面目”的限制，不斷認(rèn)清銀河系的全貌和銀河系形成與演化的秘史。LAMOST與Gaia的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，將使天文學(xué)家迎來(lái)重塑銀河系歷史真相的黃金時(shí)期。

兩把大數(shù)據(jù)“密鑰”開啟銀河系塵封歷史

銀河系是星系考古學(xué)研究的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，而恒星又是銀河系考古的天然化石——恒星表面的化學(xué)元素含量完整記錄了其誕生時(shí)的銀河系星際環(huán)境的化學(xué)組成；恒星運(yùn)動(dòng)相似性也為天文學(xué)家破解恒星起源問題提供了重要線索。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)銀河系集成和演化全面認(rèn)識(shí)的關(guān)鍵，在于需要獲取銀河系中數(shù)量足夠多、分布足夠廣、足夠有代表性的恒星位置、運(yùn)動(dòng)、年齡及化學(xué)組成等信息。

LAMOST開展的銀河系光譜巡天項(xiàng)目，是目前世界上正在運(yùn)行的最大的恒星光譜巡天項(xiàng)目。過(guò)去10年間，它已獲取上千萬(wàn)條光譜數(shù)據(jù)，為揭示銀河系結(jié)構(gòu)和演化提供了史無(wú)前例的光譜數(shù)據(jù)基石。而歐空局于2013年12月發(fā)射的Gaia衛(wèi)星，則為天文學(xué)家提供了14億顆恒星的高精度位置和移動(dòng)地圖。這成為天文學(xué)家開啟銀河系塵封歷史的寶貴密鑰。

大樣本精確恒星年齡LAMOST展現(xiàn)看家本領(lǐng)

作為銀河系考古學(xué)研究的前提，恒星年齡的精確測(cè)定至關(guān)重要。但由于恒星年齡無(wú)法直接測(cè)量，只能通過(guò)將實(shí)測(cè)恒星參數(shù)與理論恒星演化模型進(jìn)行對(duì)比的方式來(lái)估算，因此它又是最難以精確獲取的信息，也可以說(shuō)是天文學(xué)領(lǐng)域最難精確測(cè)定的物理量之一。

近幾年來(lái)，大規(guī)模光譜巡天觀測(cè)提供的大樣本恒星年齡，促使銀河系考古學(xué)研究得到了迅速發(fā)展，而LAMOST光譜巡天則是該方向的主要探路者之一。

盡管如此，過(guò)去研究所獲取的大樣本恒星典型年齡絕大多數(shù)誤差在20%以上，而年齡誤差小于10%的恒星樣本則少得可憐。而且，樣本的空間和參數(shù)范圍也十分受限。

亞巨星是一種處于由主序演化階段向紅巨星演化階段短暫過(guò)渡演化過(guò)程的恒星。在亞巨星的演化階段，恒星的可觀測(cè)參數(shù)，尤其是亮度，對(duì)于其初始質(zhì)量和年齡較為敏感，因此這些恒星的年齡相對(duì)容易被精確測(cè)定。

但是，由于恒星在亞巨星階段的演化十分迅速，這導(dǎo)致可觀測(cè)到的亞巨星數(shù)量相當(dāng)稀少。因此，篩選和構(gòu)建大樣本的亞巨星，就需要大規(guī)模的巡天觀測(cè)普查，而這正是LAMOST的看家本領(lǐng)。近年來(lái)，LAMOST的大規(guī)模光譜巡天觀測(cè)提供了大樣本恒星年齡，促使銀河系考古學(xué)研究得到了迅速發(fā)展。

探尋銀河系兒時(shí)伙伴期待望遠(yuǎn)鏡更多寶藏?cái)?shù)據(jù)

向茂盛博士和漢斯·瓦爾特·瑞克斯教授依托LAMOST巡天光譜數(shù)據(jù)獲取了700萬(wàn)顆恒星的高精度大氣參數(shù)，并利用Gaia巡天數(shù)據(jù)得到高精度的恒星光度和運(yùn)動(dòng)信息，在此基礎(chǔ)上篩選和構(gòu)建了一個(gè)包含25萬(wàn)顆亞巨星的精確恒星年齡樣本，平均年齡精度為7%，金屬豐度覆蓋范圍從-2.5（太陽(yáng)金屬含量的1/300）到0.5（太陽(yáng)金屬含量的3倍），空間覆蓋范圍達(dá)3萬(wàn)光年。

這是首次在銀河系中如此大的空間范圍和如此廣的金屬豐度范圍獲取目前最精確的大樣本恒星年齡，這幅銀河系恒星年齡“巨型圖”稱得上銀河系考古學(xué)研究的寶藏?cái)?shù)據(jù)。

以它們作為研究對(duì)象，天文學(xué)家刻畫出了這幅清晰的早期銀河系形成和演化圖像，從年老厚盤到銀暈，再到夾心薄盤的銀河成長(zhǎng)歷程在時(shí)光的流轉(zhuǎn)中逐一被還原。

然而，我們目前還不清楚在極其遙遠(yuǎn)的宇宙深處，是否普遍存在跟早期銀河系類似的星系，即那些早已失散了的銀河系“兒時(shí)伙伴”。或許不久的將來(lái)，正在地日拉格朗日點(diǎn)L2軌道上開展緊鑼密鼓測(cè)試的詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡將會(huì)給出答案。

（本組文章均摘自3月31日《文匯報(bào)》）