数完9万颗星星，他们推翻了经典理论

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“我们的研究成果，挑战了天文物理领域的经典理论！”
1月19日，《自然》杂志发表了中国科学院国家天文台研究员刘超带领的研究团队的一项重大成果。研究认为“恒星初始质量分布规律”会随着恒星金属元素含量和年龄发生显著变化，挑战了“恒星初始质量分布规律不变”的经典理论，刷新了人类对这一基本概念的认知。
这一原创性成果发挥了我国重大科技基础设施郭守敬望远镜（LAMOST）超大光谱数据样本优势，同时结合了欧洲空间局盖亚（Gaia）卫星数据。论文合作者还包括北京师范大学天文和天体物理前沿科学研究所、南京大学、紫金山天文台等单位的研究人员。
恒星初始质量函数领域的国际权威、德国波恩大学教授帕弗尔·库鲁帕（Pavel Kroupa）评价认为：“这项研究基于大样本观测获取的高质量数据，揭示了银河系中恒星初始质量函数与银河系演化历史和环境相关。这对于深入理解银河系中不同环境不同时间恒星形成的性质非常重要。”
“数星星”解决存在30年的争议
广袤宇宙的千亿星系中无时无刻不在诞生着新的恒星，同一恒星形成区会批量形成许多不同质量的新生恒星。恒星初始质量分布规律，天文学上通常称为“恒星初始质量函数”，它描述了一群恒星在刚刚诞生时，不同质量的恒星所占的比例。
从1955年提出“恒星初始质量函数在宇宙各处及各个演化阶段是普适不变的”概念以来，它作为基本假设，在星系形成与演化、星团结构和演化、双星演化，甚至太阳系外行星以及引力波等诸多天体物理研究领域广泛应用，几乎成为天体物理教科书中的“经典假设”。
“一些迹象显示，在恒星形成活跃的环境中大质量恒星的比例更高，这意味着恒星初始质量函数可能不是普适的。”论文合作者、南京大学天文系教授张智昱说。
但是，由于找不到更直接有力的观测证据，这个争议存在了30年。
“当时困扰我们的是太阳附近能用于分析的恒星数量太少，统计上不确定度就很大；对银河系外星系关键信号的解释强烈依赖物理模型，可能受到系统偏差影响。”刘超说。
而LAMOST目前保持着最大样本恒星光谱数据的世界记录，Gaia的性能正好和LAMOST互补，二者结合对恒星归类很有帮助，能够挑出来“年老”的恒星。
正是这样的优势，研究团队得以“精挑细选”出9万多颗距离太阳1000光年以内的恒星样本。在保证误差足够小的同时，最大程度减少了对物理模型依赖。
观测手段进步后，刘超团队首次通过最直观的恒星计数法，也就是“数星星”，对具有不同金属元素含量和年龄的恒星进行统计，从观测角度直接获取了几乎不依赖于任何模型的恒星初始质量函数。



变化的恒星初始质量函数的艺术展示图。宇宙诞生之初（围绕中心明亮部分的内环）质量较大的恒星（浅黄色的圆盘）更多；而在较年轻的星族中（外环），质量较小的恒星（红色的小圆盘）则显著增加。图中右下角展示了完成这一观测的郭守敬望远镜（LAMOST）外观。（图片设计：吴坤）

这么多恒星，如何来“数”？刘超表示，他们根据恒星的亮度等物理特征，建立了一个模型，反推这些样本可以代表多少恒星。
紧接着，根据每颗恒星不同的质量和所含金属的比例，刘超把恒星分成了不同的小组，分别进行统计。1000光年范围内恒星的分布是不均匀的，所以还要考虑到空间分布的特性。
“这9万颗恒星中，有四分之一不是单颗恒星，旁边会有一个看不太清楚的伴星，甚至还有少量的多星系统，这些都要纳入到统计考量范围内。”刘超说。
当所有情况都考虑进去后，“数星星”这项工作才算完成。他们首次清晰观测到年轻的小质量恒星数量比例明显高于年老的恒星，金属含量越高的恒星家族中小质量恒星数量比例也越多。
“这是天文学家首次如此清晰地观测到恒星初始质量分布规律随着恒星金属元素含量和年龄发生了显著变化，直接导致恒星初始质量分布规律在宇宙中普适不变的基本假设不再成立，终结了一直以来天文界关于恒星初始质量分布规律是否变化的争议。”刘超说。
历时8年、5易其稿
做基础研究需要沉得下心，而挑战经典理论，更是“基础中的基础”。事实上，这项研究虽然重要，但在天体物理领域只有“一小撮人”在做。
从2015年开始到论文正式发表，刘超为什么能够在这项研究中坚持8年？他说：“我的研究选题倾向于更加基础的问题，希望能做‘改变教科书’的事情。一些我们习以为常的理论，可能恰恰是最值得反思的地方。”
2015年7月份，刘超得出了一个和当前结果类似的结论。兴奋之余，他主动联系了《自然》编辑。
“不过当时没有9万颗恒星，我们发现，数据存在选择效应问题，在选择性和样本性上不够严谨。”刘超说。
又花了2年时间，2017年刘超解决了选择效应改正的问题。紧随其后的两年，刘超陆续优化了恒星空间分布测量的方法、解决了双星问题。
直到2019年，前期技术的困难和障碍基本扫除，剩下的就是对研究发起“攻关”。2020年开始，刘超带着论文第一作者、国家天文台博士生李佳东开始了紧张的数据分析和处理、以及模型建立等工作，2021年初，“结果出来了！”
2022年春节，他们打开《自然》的投稿系统，将文章发送到了编辑部。一般情况下，《自然》杂志只有两轮审稿，万万没想到，刘超和审稿人经历了5个来回的“拉扯”。
“这9万颗恒星如果不分组，能不能重现以前的结果？希望从恒星亮度分布的角度，重新检测你们的方法。”面对这项挑战经典理论的研究成果，三位审稿人都非常谨慎，先后提出了近70个问题，要求团队做出不同的验证。
“李佳东压力也很大，当时他已经到了美国进行交换学习，我们隔着半个地球在做研究。每次收到新的审稿意见，他就会仔仔细细去复查核算。过程很痛苦，但李佳东的韧性很强。”对于自己的学生，刘超不吝赞美。
2022年10月26日，刘超一如往常打开邮箱，跃入眼帘的是论文接收通知。
“收到结果的那刻不意外，9个月的审稿历程，我们经过了不断重复验证，对自己的结果越来越有信心。审稿人的问题很尖锐，他们不是鸡蛋里挑骨头，而是让我们的结果变得更加可靠。”刘超说。
或将影响前沿问题研究
这一突破性成果，对天体物理学领域的多个研究产生影响。无论是测量宇宙不同阶段星系中暗物质和重子物质质量、构建星系化学演化模型，还是理解恒星形成过程、分析双星演化的物理机制、探测太阳系外行星，甚至包括研究恒星级引力波事件等一系列天体物理学前沿问题的研究，都将因恒星初始质量函数的变化而受到挑战。
“这如同是一把会随着环境变化的‘尺子’，不能用同一把‘尺子’丈量宇宙的不同地方。在宇宙不同地方天文学家需要更换合适的‘尺子’才能得到正确的测量结果。例如，使用银河系目前的‘尺子’就无法测量早期的宇宙。”刘超说。
遗憾的是，这次研究虽然挑战了经典理论，但并没有给出更好用的恒星初始质量函数变化参数。“这只是‘破门’的动作，我们会顺着这个思路推动进一步研究。”刘超表示。
幸运的是，我国在不久将来会发射中国空间站工程巡天望远镜（CSST），刘超也将借助CSST，完成更多的观测工作。
他表示，CSST能够观测到大半个银河系、看到几十亿颗恒星。恒星质量到了百分之八太阳质量时，再往小就是“失败的恒星”。有了CSST，天文学家甚至可以去观测小到千分之一太阳质量的天体，对这段天体的质量函数做出更清晰的观测。
“CSST将助力天文学家在银河系更深远区域及近邻星系中进一步验证这一重大发现，为更深入理解恒星初始质量函数和恒星形成的物理过程提供更加丰富的观测数据。”刘超说。
论文相关信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05488-1