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恒星探戈演绎的璀璨星空
2016-05-20  |  作者:  |  【  】 【打印】 【关闭

云南天文台大样本恒星演化研究团组

              详细博文见支教地理

 

 

题记: 

双星演化就像是一场美丽的太空探戈,而我们的梦想就是精通每一场舞步背后的旋律,追寻每一个可能的华丽转身所带来的光彩和惊艳。 

 

超新星1987A

 

玫瑰星云

 

猫眼星云

 

蚂蚁星云

 

 

你是否被这些美丽的图片所震撼? 

你是否知道,它们由一场场优雅的太空探戈演绎而来? 

你是否知道,星星也会像吸血鬼一样吸取其它星星的“鲜血”? 

你是否知道,在星星的世界里,也有类似于人类化妆品的东西? 

当我们抬头仰望星空的时候,我们看到的绝大多数发光的天体都是恒星,它们通过燃烧自己来成就夜空的美丽。因为宇宙的浩瀚,人类特有的情感让我们感受到了它们的孤单。但是,其实,它们当中至少有一半会因为引力的作用而相互绕转,彼此牵引相伴,在空中跳着优雅的探戈。天文上称之为双星。它们或天生就是一对(在诞生时就是双星系统),或来自一场美丽的邂逅(由于引力俘获而形成的双星系统),总之,它们的生命轨迹会因为这一场华丽的探戈而更加多姿多彩。作为一个以研究双星演化和应用为主要研究方向的研究团队,我们非常有幸成为这炫丽舞姿的观礼者,梦想着能够精通每一场舞步背后的旋律,追寻每一个可能的华丽转身所带来的光彩和惊艳。 

云南天文台大样本恒星演化研究团组成立于上世纪90年代末,立足于双星演化的基本理论,积极拓展其在星族、星团和星系中的应用,研究课题包括双星演化理论、双星演化应用、大样本恒星演化和演化星族合成等。团组现有固定成员11人,其中研究员7名,副研究员2名;1人获得国家自然科学基金杰出青年基金资助,3人获得国家自然科学基金优秀青年基金资助,1人获第11届中国青年女科学家奖。 

   近20年的寻梦之旅,我们艰辛并快乐着,常有鲜花点缀来时的路:我们的研究成果入选《国家自然科学基金资助项目优秀成果选编(五)》,五次入选中国十大天文年度进展,并被写入德国Springer 出版社出版的《恒星物理学》、《星震学》、英国剑桥大学出版社出版的《双星与多星系统中的演化过程》等30余部国际专著和教科书;获国家自然科学二等奖1项,云南省自然科学一等奖2我们期待未来的路能够走得更加轻盈、灵动。(文/陈雪飞) 

 

大样本恒星演化研究团组全家福

 

下面,我们就一起来了解一下中国科学院云南天文台大样本恒星演化研究团组的研究方向及成果吧。

 

一、气体和星云--恒星的摇篮和归宿 

除了昼间炫目的太阳和夜空里的点点繁星,广袤无垠的宇宙空间中还充满着大量黑暗冰冷的气体。它们很冷,不能发射出足够的我们人眼所能见到的光波;它们很稠密,足以遮蔽夜空里的无数明星,并在璀璨的银河里投下黑暗的身影。然而,当我们借助现代望远镜在红外线或者毫米波这样的长波段仰望夜空时,看到的却是一个密布着巨大的、混乱地流动着的气体云的迷人世界。这些冷暗气体是所有星星的母亲,它们孕育了无数个像我们太阳一样的恒星。同时,那些在肉眼所见的夜空里昏暗发红,甚至微弱不可见的年老恒星,在红外线或毫米波的夜空里,也和冷暗星际云一起在天空中熠熠生辉,大放异彩,这是因为它们在死去之前都会将其自身的大部分物质以星风的形式抛回星际空间,并在它们周围形成同样冷暗的巨大气体包层。这些只有借助红外和毫米波望远镜才能看到的冷暗气体如何孕育恒星,包含了恒星在生命谢幕之前怎样的精彩绝唱,是何金华博士所研究的领域。

 

(文-何金华:研究员,硕士生导师。1996年毕业于北京师范大学,2004年在云南天文台获博士学位。) 


 

二、恒星绝热物质损失模型 

 

双星演化可以解释恒星世界的绝大多数谜团,其基本框架在上世纪80年代前已经形成。但是在之后的30多年,整个理论的发展却遭遇了瓶颈——双星演化过程中的两个关键物理过程的研究几乎停滞不前。其根本原因在于,现有的恒星演化程序都是基于流体热力学平衡之上的,无法追踪更短时标上恒星结构的变化。这使得所有和这两个过程有关的研究都只能基于一些唯象假设,从而在观测和理论之间产生了许多显而易见的矛盾。为了从根本上解决这一经典难题,葛宏伟博士等人用将近10年的时间建立了恒星绝热物质损失模型,即恒星在快速物质损失过程中,内部热量来不及重新分布,满足绝热假设。该模型可以很好地追踪恒星在快速物质损失过程中的内部物理状态和性质,为研究双星间动力学物质交换和公共包层演化迈出了关键性的一步。基于此模型给出的动力不稳定的物质交流判据,以及对公共包层演化中恒星包层总能量的精确求解,有望解决以往双星演化理论与观测的长期存在的矛盾。 

 

( 文:葛宏伟:副研究员。2004年毕业于河北大学,2010年在云南天文台获博士学位。) 

 


 

 

三、相接双星(孪生子双星) 

银河系中存在一些酷似巨大“花生”的奇特天体,它们是由两颗类似太阳的恒星组成,我们称之为相接双星,它的两颗子星像一对孪生兄弟被包裹在一个巨大的花生壳里。这类双星系统的形成、结构和演化是双星演化中的一个经典难题。我们研究发现“花生”星在形成前的距离要比现在远得多,它们通过损失角动量等过程才形成这样特殊的形状。在形成后,两个子星之间存在着物质和能量交换,而能量转移的方式和区域困扰了研究者近40年。李立芳研究员通过研究发现,能量转移发生在公共包层(即花生壳)的辐射平衡区域,解决了这个经典难题的一半。

 

文-李立芳:研究员 博士生导师。1991年毕业于湖南师范大学,2003年在云南天文台获博士学位。) 

 

 

四、Ia型超新星前身星 

超新星是某些恒星演化到晚期一种极为壮观的高能爆发现象,爆发过程中所产生的光能够照亮其所在的整个星系,并可持续几周甚至几个月才会逐渐衰减。宇宙中的重元素,包括人体所必需的铁元素,都来自于超新星爆炸时的核合成。超新星SN1006是在公元1006年由中国人首先发现的、历史记载中最亮的超新星。宋代天文学家称之为周伯星。《宋史》(第五十六卷天文志)对其有非常详细地记载:“景德三年四月戊寅,周伯星见,出氐南,骑官西一度,状如半月,有芒角,煌煌然可以鉴物,历库楼东。八月,随天轮入浊。十一月复见在氐。自是,常以十一月辰见东方,八月西南入浊。” 

超新星在宇宙学研究中起着重要的作用,2011年的诺贝尔物理学奖就颁给了利用Ia型超新星为探针发现宇宙加速膨胀的天文学家。Ia型超新星作为可标准化的烛光,可以测量宇宙的距离。人们正是通过Ia型超新星测距发现宇宙在加速膨胀,从而推论出暗能量的存在,开创了宇宙学研究的全新局面。此外,Ia型超新星是铁元素的主要来源,而铁是星系化学演化的主要驱动力,也是我们人类血液中不可或缺的元素。但是,人们对Ia型超新星的前身星,即Ia型超新星是怎么来的,所知非常有限。对Ia型超新星起源的研究,是我们课题组的一个重要研究方向。Ia型超新星中有一半在恒星形成后1 亿年内爆炸,所有的前身星模型都不能解释为什么有这么多的Ia型超新星在如此短的时间内爆炸。王博等人提出的氦双星前身星模型解决了这个难题,并预言了氦超高速星的存在,曾在国际上引起大的反响,被BBC70 多家海外媒体报道,并被《自然•中国》作为研究亮点报道。该模型现被国际著名的研究超新星爆炸模型的小组用于研究超新星爆炸对残留伴星的影响,超高速氦星也被广泛用于各大巡天项目。

 

(文-孟祥存,研究员,博士生导师,2002年毕业于河北师范大学,2008年在云南天文台获博士学位,2015年获国家优秀青年基金资助; 

王博,研究员,博士生导师,2005年毕业于云南大学,2010年在云南天文台获博士学位,2013年获国家优秀青年基金资助。) 


 

 

五、强磁星和行星 

 

强磁星(Magnetar)是具有超强磁场的中子星。作为宇宙中一类具有最强磁场的极端天体,它的磁场强度高达约1014-15高斯,相当于太阳表面磁场的千亿倍。它们为理解超强磁场行为,特别是为深入认识强磁场下的相对论性磁重联,提供了一个极佳的平台。强磁星磁场的衰减可以触发剧烈爆发,一次释放的能量可以高达1%的总磁能。余聪提出了用磁层相对论磁重联来解释强磁星的巨烈耀发,建立了自洽的考虑相对论磁重联效应的扭曲磁绳爆发模型。相比太阳大气中的非相对论磁重联,相对论性磁重联过程对高能天体的辐射更为重要也更为复杂,该工作是国际上首次利用强磁星观测资料研究相对论性磁重联这一基本物理过程。余聪还利用大规模()流体并行数值模拟对行星形成中的潮汐相互作用进行了系统研究。 

 

(文-余聪:研究员,博士生导师,中科院天体结构与演化重点实验室副主任,2000年毕业于云南大学,2005年在云南天文台获博士学位。) 

 


 

六、大样本恒星演化与特殊恒星 

大样本恒星演化主要是研究恒星的整体演化行为。自上世纪九十年代起,大型设备巡天计划逐渐成为国际天文观测的主流。各类巡天数据的释放,以前所未有的速度推动整个天文学的发展。传统恒星演化理论很难去解释现代大样本观测数据的结果。我们提出并发展了能同时演化数百万颗恒星的大样本恒星演化理论。在该理论中,我们首先基于双星演化的基本物理过程,从第一原理出发提出恒星天体形成的物理图像,然后再对数百万颗恒星(含双星)进行演化模拟。为此,我们建立了一套恒星(含双星)演化的基本关系和判据,被广泛应用于恒星演化的各个领域,并解决了长期存在于双星公共包层演化过程中的能量不守恒问题。利用大样本恒星演化理论,我们建立了热亚矮星、蓝离散星、钡星等多类重要恒星的形成模型。蓝离散星,现在被西方媒体称之为“吸血鬼”恒星,因为吞噬其邻近恒星的物质(碰撞或双星演化),它的寿命远超过和它同时诞生的其它恒星,并会极大地改变一个星族光谱的形状。我们主要研究双星演化形成蓝离散星的机制。 

 

(文:韩占文,研究员,博士生导师,团组首席,1984年毕业于河北大学,1995年在剑桥大学获博士学位,1999年获国家杰出青年基金资助; 

陈雪飞,研究员,博士生导师,1999年毕业于云南大学,2005年在云南天文台获博士学位,2014年获国家优秀青年基金资助和第11届中国青年女科学家奖。) 


 

 

七、双星与星团 

球状星团是由数十万颗到数百万颗恒星所组成的恒星集团,由于被引力紧密束缚成球形,因此得名球状星团。球状星团都非常古老,几乎都在100 亿年以上,被称为银河系中的活化石,可以帮助我们了解银河系的遥远历史。球状星团中的恒星一直被认为是同一时代形成的。然而哈勃空间望远镜观测表明这些恒星之间存在“代沟”(存在多个星族)。如何解释这个“代沟”是众多国际研究团队的重要研究课题。我们提出,球状星团中恒星之间的“代沟”可能是因为双星相互作用造成的。恒星在诞生的时候,有的是成双成对(即双星),而有的恒星则是单个的。成双成对的恒星会相互影响,经历并合或物质转移过程,形成质量更大、旋转更快的恒星,从而表现出与单个的恒星不同的“气质”,例如不同的亮度、温度和表面化学丰度等。我们的模型可以重现球状星团恒星“代沟”的两个关键性证据,这是其它模型无法做到的。 

 

(文:姜登凯,研究员,硕士生导师,2002年毕业于兰州大学,2010年在云南天文台获博士学位。 


 

 

八、云南演化星族合成模型和贝叶斯能谱分析方法 

 

星系的形成和演化是目前天文学研究中最热门的课题之一,因为星系的绝大部分可见物质都聚集在恒星里,所以分析星系内部的恒星组成以及它们随时间、空间的演化是研究星系形成和演化的重要途径。然而,即使是哈勃空间望远镜,我们也只能分辨出邻近星系中的单个恒星。对遥远的星系,我们只能得到其整体特征量,如星等、颜色、光谱等。因此需要一种通过这些积分特征量来确定恒星成分的有效方法,即演化星族合成方法。它相当于在恒星和星系研究之间搭建了一座桥梁,在星族星团的研究中被普遍应用。大约一半的恒星属于双星系统。双星演化完全不同于单星演化,多年来由于双星演化的复杂性或多样性,所有演化星族合成模型都没能力将它们考虑其中。张奉辉等人在2004年首次将各种双星相互作用加入到演化星族合成模型中,建立了双星族演化星族合成模型—云南模型,比国际上的同类研究早5-8年。双星相互作用可以使星族在紫外的流量高出23个星等,使它们看起来更加年轻(20%左右),就像人类的化妆品。针对各类巡天设备在各个波段释放的星系海量光谱观测数据,韩云坤博士发展了一套基于贝叶斯推理和机器学习的并行化星系光谱分析程序(BayeSED),能对海量的光谱数据进行高效而可靠的分析,受到了国内外同行的关注。 

 

(文-张奉辉,研究员,博士生导师,1996年毕业于河北师范大学,2003年在云南天文台获博士学位; 

 

韩云坤,副研究员,2006年毕业于云南大学,2012年在云南天文台获博士学位。) 

 

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