數完9萬顆星星，他們推翻了經典理論

“我們的研究成果，挑戰了天文物理領域的經典理論！”

1月19日，《自然》雜志發表了中國科學院國家天文臺研究員劉超帶領的研究團隊的一項重大成果。研究認為“恒星初始質量分布規律”會隨著恒星金屬元素含量和年齡發生顯著變化，挑戰了“恒星初始質量分布規律不變”的經典理論，刷新了人類對這一基本概念的認知。

這一原創性成果發揮了我國重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST）超大光譜數據樣本優勢，同時結合了歐洲空間局蓋亞（Gaia）衛星數據。論文合作者還包括北京師范大學天文和天體物理前沿科學研究所、南京大學、紫金山天文臺等單位的研究人員。

恒星初始質量函數領域的國際權威、德國波恩大學教授帕弗爾·庫魯帕（Pavel Kroupa）評價認為：“這項研究基于大樣本觀測獲取的高質量數據，揭示了銀河系中恒星初始質量函數與銀河系演化歷史和環境相關。這對于深入理解銀河系中不同環境不同時間恒星形成的性質非常重要。”

“數星星”解決存在30年的爭議

廣袤宇宙的千億星系中無時無刻不在誕生著新的恒星，同一恒星形成區會批量形成許多不同質量的新生恒星。恒星初始質量分布規律，天文學上通常稱為“恒星初始質量函數”，它描述了一群恒星在剛剛誕生時，不同質量的恒星所占的比例。

從1955年提出“恒星初始質量函數在宇宙各處及各個演化階段是普適不變的”概念以來，它作為基本假設，在星系形成與演化、星團結構和演化、雙星演化，甚至太陽系外行星以及引力波等諸多天體物理研究領域廣泛應用，幾乎成為天體物理教科書中的“經典假設”。

“一些跡象顯示，在恒星形成活躍的環境中大質量恒星的比例更高，這意味著恒星初始質量函數可能不是普適的。”論文合作者、南京大學天文系教授張智昱說。

但是，由于找不到更直接有力的觀測證據，這個爭議存在了30年。

“當時困擾我們的是太陽附近能用于分析的恒星數量太少，統計上不確定度就很大；對銀河系外星系關鍵信號的解釋強烈依賴物理模型，可能受到系統偏差影響。”劉超說。

而LAMOST目前保持著最大樣本恒星光譜數據的世界記錄，Gaia的性能正好和LAMOST互補，二者結合對恒星歸類很有幫助，能夠挑出來“年老”的恒星。

正是這樣的優勢，研究團隊得以“精挑細選”出9萬多顆距離太陽1000光年以內的恒星樣本。在保證誤差足夠小的同時，最大程度減少了對物理模型依賴。

觀測手段進步后，劉超團隊首次通過最直觀的恒星計數法，也就是“數星星”，對具有不同金屬元素含量和年齡的恒星進行統計，從觀測角度直接獲取了幾乎不依賴于任何模型的恒星初始質量函數。

變化的恒星初始質量函數的藝術展示圖。宇宙誕生之初（圍繞中心明亮部分的內環）質量較大的恒星（淺黃色的圓盤）更多；而在較年輕的星族中（外環），質量較小的恒星（紅色的小圓盤）則顯著增加。圖中右下角展示了完成這一觀測的郭守敬望遠鏡（LAMOST）外觀。（圖片設計：吳坤）

這么多恒星，如何來“數”？劉超表示，他們根據恒星的亮度等物理特征，建立了一個模型，反推這些樣本可以代表多少恒星。

緊接著，根據每顆恒星不同的質量和所含金屬的比例，劉超把恒星分成了不同的小組，分別進行統計。1000光年范圍內恒星的分布是不均勻的，所以還要考慮到空間分布的特性。

“這9萬顆恒星中，有四分之一不是單顆恒星，旁邊會有一個看不太清楚的伴星，甚至還有少量的多星系統，這些都要納入到統計考量范圍內。”劉超說。

當所有情況都考慮進去后，“數星星”這項工作才算完成。他們首次清晰觀測到年輕的小質量恒星數量比例明顯高于年老的恒星，金屬含量越高的恒星家族中小質量恒星數量比例也越多。

“這是天文學家首次如此清晰地觀測到恒星初始質量分布規律隨著恒星金屬元素含量和年齡發生了顯著變化，直接導致恒星初始質量分布規律在宇宙中普適不變的基本假設不再成立，終結了一直以來天文界關于恒星初始質量分布規律是否變化的爭議。”劉超說。

歷時8年、5易其稿

做基礎研究需要沉得下心，而挑戰經典理論，更是“基礎中的基礎”。事實上，這項研究雖然重要，但在天體物理領域只有“一小撮人”在做。

從2015年開始到論文正式發表，劉超為什么能夠在這項研究中堅持8年？他說：“我的研究選題傾向于更加基礎的問題，希望能做‘改變教科書’的事情。一些我們習以為常的理論，可能恰恰是最值得反思的地方。”

2015年7月份，劉超得出了一個和當前結果類似的結論。興奮之余，他主動聯系了《自然》編輯。

“不過當時沒有9萬顆恒星，我們發現，數據存在選擇效應問題，在選擇性和樣本性上不夠嚴謹。”劉超說。

又花了2年時間，2017年劉超解決了選擇效應改正的問題。緊隨其后的兩年，劉超陸續優化了恒星空間分布測量的方法、解決了雙星問題。

直到2019年，前期技術的困難和障礙基本掃除，剩下的就是對研究發起“攻關”。2020年開始，劉超帶著論文第一作者、國家天文臺博士生李佳東開始了緊張的數據分析和處理、以及模型建立等工作，2021年初，“結果出來了！”

2022年春節，他們打開《自然》的投稿系統，將文章發送到了編輯部。一般情況下，《自然》雜志只有兩輪審稿，萬萬沒想到，劉超和審稿人經歷了5個來回的“拉扯”。

“這9萬顆恒星如果不分組，能不能重現以前的結果？希望從恒星亮度分布的角度，重新檢測你們的方法。”面對這項挑戰經典理論的研究成果，三位審稿人都非常謹慎，先后提出了近70個問題，要求團隊做出不同的驗證。

“李佳東壓力也很大，當時他已經到了美國進行交換學習，我們隔著半個地球在做研究。每次收到新的審稿意見，他就會仔仔細細去復查核算。過程很痛苦，但李佳東的韌性很強。”對于自己的學生，劉超不吝贊美。

2022年10月26日，劉超一如往常打開郵箱，躍入眼簾的是論文接收通知。

“收到結果的那刻不意外，9個月的審稿歷程，我們經過了不斷重復驗證，對自己的結果越來越有信心。審稿人的問題很尖銳，他們不是雞蛋里挑骨頭，而是讓我們的結果變得更加可靠。”劉超說。

或將影響前沿問題研究

這一突破性成果，對天體物理學領域的多個研究產生影響。無論是測量宇宙不同階段星系中暗物質和重子物質質量、構建星系化學演化模型，還是理解恒星形成過程、分析雙星演化的物理機制、探測太陽系外行星，甚至包括研究恒星級引力波事件等一系列天體物理學前沿問題的研究，都將因恒星初始質量函數的變化而受到挑戰。

“這如同是一把會隨著環境變化的‘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學家需要更換合適的‘尺子’才能得到正確的測量結果。例如，使用銀河系目前的‘尺子’就無法測量早期的宇宙。”劉超說。

遺憾的是，這次研究雖然挑戰了經典理論，但并沒有給出更好用的恒星初始質量函數變化參數。“這只是‘破門’的動作，我們會順著這個思路推動進一步研究。”劉超表示。

幸運的是，我國在不久將來會發射中國空間站工程巡天望遠鏡（CSST），劉超也將借助CSST，完成更多的觀測工作。

他表示，CSST能夠觀測到大半個銀河系、看到幾十億顆恒星。恒星質量到了千分之八太陽質量時，再往小就是“失敗的恒星”。有了CSST，天文學家甚至可以去觀測小到千分之一太陽質量的天體，對這段天體的質量函數做出更清晰的觀測。

“CSST將助力天文學家在銀河系更深遠區域及近鄰星系中進一步驗證這一重大發現，為更深入理解恒星初始質量函數和恒星形成的物理過程提供更加豐富的觀測數據。”劉超說。

論文相關信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05488-1