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寻找银河系的皇室后裔,这类天文学家叫"星口普查员"

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发表于 2018-11-21 09:37:33 | 显示全部楼层 |阅读模式
  来源:我是科学家iScientist
  你听说过“星口普查员”吗?中国科学院国家天文台副研究员李海宁就是这样一名“星口普查员”。她的普查对象是恒星,她和诸多普查员同事们一起,追溯能与宇宙年龄比肩的“皇族星星”,寻找恒星中的“皇室血脉”,分辨银河中的“星际移民”。今天,李海宁带你探寻恒星中隐藏的秘密。本文根据有意思博物馆演讲剧场——我是科学家‘宇宙深处,心之所向’现场演讲整理。


李海宁演讲视频:
  以下为李海宁演讲实录:
  大家好,我是来自中国科学院国家天文台的李海宁。
  我想先问大家一个问题,你们知道中国什么地区的人口密度最大吗?我确定自己没有走错场,一会我就会把大家从人口密度拉回到宇宙深处的!
  我们之所以能对人口密度有这么定量的认识,很大程度上要归功于人口普查。人口普查是对全国人口进行逐人逐户的入户调查,也是现在大家广泛采用的搜集人口资料的科学方法。
  小的时候我听说地上的一个人对应着天上的一颗星星,既然我们可以通过人口普查来搜集人口的资料,那是不是也可以进行星口普查,来搜集星星的资料呢?答案是肯定的。
  我就是一名星口普查员。我们不仅仅可以对星星进行星口普查,还可以通过星口普查发现很多关于星星的有趣的奇闻轶事。


演讲嘉宾李海宁:《给星星来一次:“星口普查”》
  在银河系里面对星星做普查这个看似不可能的任务,是从什么时候开始变得可能的呢?这首先要感谢伽利略。伽利略在400多年前的时候,第一次用望远镜开始观察星星,这也是人类第一次意识到我们头上的这一条乳白色的银河其实是由一颗一颗的星星聚集而成的无水河流。也是从那一刻起,人类开始了漫长的仰望星空、心里向往宇宙的探索之路。


  当大家开始欣赏星星的浪漫和美妙的时候,有这么一波人,开始做一些比较奇怪的事情。比如这位英国天文学家叫赫歇尔,他是第一个尝试想了解银河系里这些星星的居住情况到底是怎么样的人。


  当时他采用了一个特别简单的方法:数星星。他把星空分成很多个区,然后把所有能看到的星星都按着分区数了一遍。他发现有的区星星多,有的区星星少,之后他把看到的星星都画了下来,就形成了这张银河系第一幅手绘的居民分布图。从分布图上我们发现,赫歇尔看到的银河系是一个扁平的盘状结构,所有的星星都是均匀地“居住”在银河系里面,而太阳就在银河系的中心位置。如果说银河是北京的话,那么太阳的位置基本上就是紫禁城了。
  从赫歇尔手绘银河居民分布图到现在,200多年过去了,我们这些星口普查员用的望远镜越来越大,能普查到的恒星数量和范围也越来越大。今天我们眼中的银河系已经和赫歇尔笔下的银河系大相径庭,仅有的一点相似之处就是扁平的盘状结构。
  今天,我们不仅知道银河系有一个扁平的银盘,还知道它有一个核心的核球,以及周围比较稀松的银晕;我们还发现银河系里的星星并不是均匀的住在各个地方,有的地方,比如说核球、核心位置,“人口”密度非常高,而在银晕的位置“人口”就比较稀疏;我们发现太阳压根就不住在银河系的城里,它根本就是住在银河系的五环外。所有这些关于银河系认知上的革新,都是星口普查带给我们的。


  那么我们这些星口普查员每天都是怎么工作的?我想问大家,你们知道人口普查是怎么做的吗?入户调查。那对星星可以这么做吗?很显然不行,我们没有办法入户调查。所以我们想到了一个最简单也最直接的方法:给星星们拍照。
  天文学上把这种方法叫做成像观测,通过成像观测,我们可以得到大量的星星在银河系里的分布情况,还可以了解到这些星星的亮度、颜色等一些简单的信息。但是如果想知道这个星星更多的个人信息,比如它的体重、年龄、出生地等等,光靠成像观测就不够了。我们星口普查员还有一个法宝,就是恒星光谱。


太阳的二维光谱。
  当星光被望远镜接收之后,通过棱镜分散开,就能得到一个像这样的很漂亮的恒星光谱。这张彩色的条码图,就是太阳的二维光谱。这上面的每一级都是我们的眼睛所能看到的不同颜色的星光。在恒星生命很长的一段时间里,它的大气都会保留着它的出生地留下的类似于母系血统的化学特征,比如某些化学元素的含量等等。那么当炙热的星光穿过比较冷的外层大气时,这些化学元素就会在特定的波长产生吸收,光谱上就会出现这一条条的暗线。所以说这些暗线就是恒星的诞生地,或者说它的母系血统,在它的星光当中留下的特殊的化学印记。
  自从有了恒星光谱,星口普查就变得有趣多了,而且它还成就了一项我自己非常痴迷的星口普查任务——在银河系的星星当中寻找皇室后裔。
  我第一次听说“寻找皇室后裔”这件事情是在十年前,当时我认识了一位德国的天文学家,他有一个非常厉害的星口普查团队,还创造了一项吉尼斯世界纪录:他带领普查团队找到了一个非常珍贵的恒星届的皇室后裔,是当时银河系中恒星界皇室血统最纯正的一颗星星。


  在宇宙洪荒之初,大爆炸只产生了氢、氦和锂三种元素,没有其他任何的化学元素了。就在这样的环境当中出现了第一代恒星,这些恒星个头非常大,很明亮,但它们死得很快。在死亡的时候,它们会通过超新星爆发把自己生产的新的化学元素都埋藏到尘埃当中,在这些尘埃当中,第二代恒星出生了。如果说今天的宇宙有一百岁,那么第二代恒星诞生的时候,宇宙大概还是个学龄前儿童,所以说这些第二代恒星见证了神秘的宇宙婴幼儿时期。
  更厉害的是,在第二代恒星的表面大气当中保留了祖先,也就是第一代恒星留给它们的母系血统化学印记。从一个星口普查员的角度来说,这些第二代恒星是我们所能看到的在血统上最接近第一代恒星的皇室后裔了,化学印记越接近第一代恒星,我们就认为它的皇室血统越纯正。


  我义无反顾地加入了这支搜寻皇室血统星星的队伍当中,希望有一天我也能找到一颗和宇宙年龄比肩的皇族星星。当时以为这件事情应该操作起来非常简单,大体的思路应该就是找很多很多的星星,然后在里面找一些年纪比较大的并分析它的血统,如果发现有血统和第一代恒星很接近的,那么就表明找到皇族星星了。
  说干就干。


  一开始我找了一些比较老的恒星,有很多,看起来还不错。之后我试着把范围缩小,当缩小到和宇宙的年龄相差10亿岁的时候,就只剩下4颗了。


  我心里也是一激灵,然后我开始对它们进行仔细的分析,很不幸,分析的结果是没有一颗是第二代恒星。我当时有一点心灰意冷,难道我的搜寻皇室后裔之路就此终结了吗?
  好在2011年的时候,有一个英雄来救我了,这个英雄叫郭守敬,是一个望远镜。郭守敬望远镜是我们国家自己设计并且建造的光谱巡天的望远镜。别看它相貌奇特,对于我们星口普查员来说,真的是一个神器——它只要眨一下眼睛,就可以拍下3000多颗恒星的光谱。它 花了五年的时间,给我们这些星口普查员贡献了700多万恒星普查的数据,这下我的星口普查之路就不再那么辛苦了。


  在郭守敬望远镜海量的恒星普查数据基础上,三年前我终于挖到了属于我自己的第一颗超级皇室后裔。这颗星星诞生的时间大概是130亿年前,所以它高龄的程度几乎和宇宙不相上下。在当时的恒星界,它皇室血统的纯正程度已经排到了前20。


  也是在那个时候,在大面积天区海量普查恒星技术越来越成熟的前提下,整个国际星口普查界都掀起了一股搜寻皇室血统后裔的热潮。在2014年的时候,一个澳大利亚的同行团队大幅刷新了之前德国团队保持了十年之久的纪录:他们找到的SM0313年龄几乎和宇宙一样老,如果用百分比来计算的话,差异还不到1%。
  可能有人会说,你这么执迷于搜寻这些具有皇室血统的恒星,难道仅仅是为了刷纪录求刺激吗?当然不是那么简单。做这件事情还带给我一个非常特别的体验。
  其实在所有星口普查员找了数十年之后,我们找到的真正的皇室后裔星星可能也只有数十颗,不过它们的血统都很纯正——表层大气的化学成分和我们宇宙大爆炸原初物质相差无几、非常接近。但是另一方面,我们在几乎所有第二代恒星的光谱当中都可以探测到氢、碳、钙、铁等等这些对于人类和其他生命体来说都不能缺少的重要元素。
  所以从化学印记的角度来说,我们每一个人的身体里面都蕴藏着宇宙初期的一些重要证据。所以人类之于宇宙,其实并没有我们平时想象的那么渺小。每次我觉得自己不怎么厉害的时候,就会想想这件事情,突然就觉得自己变得很重要了。


  说到这,大家不要觉得我们星口普查员嫌贫爱富,只关心贵族皇室,其实我们对各个阶层的恒星都很关心。比如说有一波星口普查员就在找星际移民。
  在人类的历史上,战乱和领土的迁移都会造成人口的迁徙,形成移民。其实在星际这也是一个很常见的现象,星际移民的主要原因之一就是星系之间的战乱。


演讲嘉宾李海宁:《给星星来一次:“星口普查”》
  我们知道银河系在宇宙当中不是孤独的,它的周围还居住着50多个大大小小不同的星系,这其中绝大部分的个头和体重都比银河系小很多,我们把它们叫做矮星系。这些矮星系围绕着银河系转的时候会受到银河系致命吸引力的拖拽,靠近银河系的一头受到的拖拽力比远离银河系的那头要大,原理跟地球上的海洋潮汐非常相似,所以我们把它叫做潮汐力
  在潮汐力的作用下,矮星系被卷入巨大的银河系当中,它被撕裂、被扭曲、被瓦解,而原本居住在这些矮星系里面的星星最后就留在了银河系里,成为了银河系的一部分。天文上我们把这种星系之间的战乱叫做星系并合。而这些留下来的星际移民,见证了整个星系并合的过程,也是我们了解银河系形成过程的非常重要的观测证据。
  人类移民从一个地方搬到另外一个地方,在居住地上都会有一定的聚集性,其实星星也有这个惯性。在并合事件发生不久之后,我们仍然能看见这些星星倾向于住在一起,但是由于受到了银河系潮汐力的作用,它们的居住地已经被扭曲,所以我们看到的通常是长条形水流状的形态,我们把它们叫做星流。对于星流,我们可以通过比较简单的成像观测的方法来找到它们。


  这张照片是我们星口普查员最为得意的发现之一,有时我们开玩笑说它像一个沾满了意大利面的碗,或者是爬满了长条虫子的罐子。无论如何,我们都能很清晰的看到这些星际移民在上面留下的星流的痕迹。
  随着时间的迁移,银河系的潮汐力会迫使星际移民慢慢融入到周围的环境当中,它们不再住在一起,它们在空间聚集上已经隐藏起来了。但是跟人一样,就算不住在一起了,还会保留一些相似的生活习惯,比如运动方式等等。所以对于进阶了的星际移民,我们就换一个角度去找它——去速度和能量空间找有相同习性的团块,把这些星际移民给揪出来。
  有人可能会问,当一个星际移民在银河系混的时间太长太长了,已经完全本土化,无论是在它的聚集地上,还是它的生活习惯上,都没有办法把它和本地的星星区分开来的时候,还有办法能够识别它吗?实际上,找这些潜伏的星际移民,在天文学界来说一直是一块难啃的骨头。不过不要忘了我们星口普查员有一个法宝,恒星光谱。我们通过研究一颗恒星的光谱,就可以提取它的母系血统,也就能够甄别它究竟是出生在银河系还是出生在其他的星系。
  在这里我想向大家推荐一个对于鉴别星际移民非常有效的化学元素,它就是。对于人来说镁是一个不能缺少的微量元素,对于恒星来说它也很重要,除了因为特别容易被探测到之外,它对于恒星的诞生地也非常的敏感。


  不同的星系产生恒星的速度不一样,那么它产生的镁的相对的含量也是不一样的。图上这些彩色的点就是矮星系移民,而这些灰色的点是银河系的土著。对于相同年龄的恒星来说,来自矮星系的移民的镁含量要比银河系本地土著要系统偏低。所以如果我们把一批普查的星星往图上一放,谁是移民,谁是土著,基本上就一目了然了。
  说到这儿我又想到一件事,我们在体检的时候,会被拉去做微量元素的检测,每次测完了,往往不是缺这个就是少那个,会有一些人发现自己缺镁,可能会担心,也许我的新陈代谢功能会受到影响,我的心脑血管可能也会受到影响。可是换一个角度想想,你的镁含量比较低,说不定说明你有外星系的血统呢!玩笑归玩笑,如果医生让我们补镁,我们还是要补的。
  刚刚我讲了做星口普查工作中的两件我觉得比较有意思的事情,但是星口普查的目的绝不仅仅如此。星口普查还可以做很多事,比如可以帮助寻找宇宙当中最漂亮的烟花——超新星,也可以跟那些对寻找地外文明感兴趣的科学家一起去找地球的“大表哥”。所有这些有趣的事情,我们星口普查员都可以一起来做。


演讲嘉宾李海宁:《给星星来一次:“星口普查”》
  我们经常说天上的星星可能比地球上的沙砾的数量还要多,银河系究竟有多少颗星星?在这里我很负责任的告诉大家,我们不知道。我们现在能够认同的数量级大约是千亿颗,而我们用成像观测普查到的恒星大概是10亿颗,用光谱普查到的恒星大概是千万颗。我们普查到的银河系,很可能只覆盖了它的东城区和西城区。
  银河系的星口普查之路还很漫长,它不仅仅关乎于太阳究竟是住在银河系的五环外还是住在二环内,更是提醒我们不要忘记仰望星空,提醒我们不要低估了自己对于宇宙的重要性。
  谢谢大家。

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