中国迷信家革新对初始量量函数的典范认知丨天
中国科学家刷新对初始质量函数的经典认知丨天市垣
2023年1月底，《自然》杂志发表的一篇论文引起了天文学界的广泛讨论中国科学家发现以前一直被视为固定不变的“恒星初始质量函数”竟然随着金属丰度和年龄发生显著变化。这个天文学中基础物理概念的变化将会影响到人类对恒星形成、星系演化等多个领域的理解。
那么，这个“恒星初始质量函数”究竟是个啥？它变不变化为什么重要？恒星的质量能测量吗？好测吗？怎么测？测出来能有什么用？本文就来讲一讲关于测量恒星初始质量函数的故事，看看这个由中科院国家天文台、南京大学、中科院紫金山天文台组成的合作小组是如何刷新人类对初始质量函数的经典认知的。
恒星究竟是怎么形成的呢？
人类从居住在洞穴的远古时期，就开始关注头顶的茫茫星河。繁星点点，有的亮，有的暗，闪烁在从洞穴、到刀耕火种、再到如今科技社会的夜空。这些星辰是怎么形成的呢？人类把自己的思考画在了洞穴的岩壁上、刻在了竹简上、记录在了望远镜获得的数据里，一步一步完善着自己对这个宇宙的认知。
我们现在知道，恒星形成于星际物质密度较高的分子云，其中混合着宇宙初期的原始气体、之前每一代恒星死亡之后的灰烬以及周围恒星喷出的剧烈星风等。当分子云中比较致密的团块或云核发生坍缩时，其密度会越来越大，以致不断吸入周围的物质，核心温度也越来越高，最终发生核聚变反应，诞生一颗恒星。
那么问题来了，一个分子云中长几颗恒星合适啊？分子云中气体怎么分配？每个恒星吸多少气体？最终能长多大？
为了回答这些问题，天文学家们定义了一个基础物理概念恒星初始质量函数。函数描述的就是在一群恒星诞生时，不同质量的恒星所占的比例。
这是一个既基础、又重要的物理概念。说基础，是因为这个函数给出了一个恒星系统的质量分布。不管这个恒星系统是星团还是星系，最终的恒星构成都由这个函数来描述，所以说这个函数在天体物理中有非常基础的地位。那么这个函数为什么重要呢？这就得从恒星质量对恒星自己和它所在的星系意味着什么说起了。
图1. 恒星形成区（Monoceros R2）（图片来源ESO）
不同质量对恒星意味着什么？
简单来说，一个恒星的质量对自身来说几乎意味着一切。
影响恒星寿命
恒星之所以能发光，是因为能量来自于其内部的热核反应。恒星质量越大，内部的温度就越高，热核反应也就越剧烈，能参加反应的元素也越多。所以大质量的恒星更热更亮，也能生产出更重的元素。原料总有用完的一天，大质量恒星飞快地燃烧自己，寿命也就比小质量的恒星短得多了。在它们炽热明亮又短暂的一生结束后，会通过超新星爆发重新把自己的身体融于星际空间的气体中，等待着下一次再形成恒星的机会。而一起形成的质量小的恒星在大质量恒星死亡的焰火背景下，仍然可以稳定地存在更长的时间。
影响星系亮度
一颗恒星是这样，那由恒星组成的星团或者星系呢？
我们已经知道，质量大的恒星活不长。如果一个星系还有好多又热又亮的大质量恒星，那么我们至少就可以知道，这儿的恒星形成刚发生没多久，还是一个相对年轻的地儿。反过来，如果一个星系只剩下相对冷一些暗一些的质量小一点儿的恒星了，那我们至少可以判断，这地儿好久都没有新的恒星形成了，估计年纪不小，已经不太活跃了。
这说的还只是一个星系的温度和亮度，如果我们观测得更细节一些，去分析星系的化学成分，检查它究竟是由什么样的元素（甚至是同位素）组成的，也能发现不同质量的恒星对星系带来的影响。
影响星系成分
刚才我们已经提到，不同质量的恒星内部能够进行的核反应不太一样，大质量的恒星能够合成对温度要求更高的核反应产物。所以即使一颗大质量的恒星已经死去，它所产生的独特的元素依旧留在星际空间的灰烬里，这是它曾经存在的证据，记录着它对这个星系的贡献，并影响着下一代恒星的元素组成。
所以对于一颗恒星来说，发多亮的光、散发多热的温度、活多长的时间、产生什么样的物质，这都由恒星的质量来决定。对于一个星系来说，构成它的恒星各自多重也就直接影响到了整个星系的温度、亮度，以及化学组成。“恒星初始质量函数”这个用来描述恒星质量分布的基础概念，正是天文学家用来了解和描述这一切的一把尺子。
从1955 年“恒星初始质量函数”这个概念被提出以来，天文学家通常都默认这把描述恒星质量分布的尺子在宇宙各处都是一样的。在这把尺子的基础上，天文学家构建星族演化模型，描述星系的演化，计算系外行星的分布和引力波的概率，一步一步丰富着我们认知中的宇宙图景。
可是，这把一模一样的尺子，能够用来描述宇宙在漫长演化中的所有恒星形成吗？如果恒星在不同环境中形成，这把尺子，会不会也不一样？
我们只能用实践，也就是天文学观测，来给这个问题一个确定的答案。
恒星的质量，怎么测？
既然方向有了，那就让我们来测量不同环境中恒星的质量分布吧！
可是让天文学家头疼的是，测量恒星质量是一件困难重重的事。
最理想的情形，莫过于能瞄准宇宙中不同类型的星系，完整地测量它们的恒星质量分布。可是面对遥远的星系们，我们的望远镜根本分辨不出单个的恒星，更别说能给它们各自细致地称重了！
这个事实令人沮丧，可也给了一些天文学家灵感既然星系中活的恒星测不了，我们可以测死了的呀！我们已经知道，不同质量的恒星进行的核反应不一样。它们生产出的元素和同位素在恒星死后留存在星际空间里，如果分析星际空间中的元素和同位素组成，不就可以推断出这个星系以前的恒星质量分布了吗！
这些天文学家们于是借助星系化学演化模型的帮助，发现在恒星形成活跃的星系中，大质量恒星的比例远比其它星系更高。这个结果很明确地告诉我们，至少从死去的恒星灰烬里我们可以看到，“恒星初始质量函数”这把尺子在不同星系环境中是不一样的！
那么对于还活着的恒星，情况究竟怎样？我们是否能够用最直接的数星星的方法，数一数各个质量的恒星究竟有多少？
要想达成这个目标，我们的目光还得回到我们生活的银河系里来，回到太阳附近的区域里来。在这里，我们可以分辨出单颗的恒星，测量它们的距离，分析它们的物理参数，从恒星本身出发，给它们称称重。
不同于温度和亮度，恒星的质量不是一个可以直接观测的物理量。对于少数双星系统的恒星来说，人们可以通过解析它们互相绕转的轨道，算出两颗星各自的质量。对于单个的恒星来说，给它们称重需要光谱、测光、距离测量、以及恒星演化模型的共同努力。
具体来说，通过光谱测量出恒星的温度和金属丰度（天文学家把比氢和氦重的元素都叫作金属，金属丰度就是这些元素的总含量），再结合测光得到的恒星亮度，消去距离带来的影响（同样一颗星，距离远就会显得暗），把这些可以测量的量输入恒星演化模型，就可以得到恒星模型中对应这个温度、金属丰度、亮度的恒星质量了。
准确来说这种方法可以得到的是一群恒星现在的质量分布。如果我们想要研究恒星刚形成时的“初始”质量函数，最好这些恒星的温度和亮度与它们刚形成时相差不大，这样一来“现在”的质量函数就几乎可以等同为“初始”质量函数了。能满足这样要求的，就是小质量的恒星了。质量小的恒星核反应比起它的大质量同胞来说温柔得多，恒星演化平稳温和而又缓慢，从形成到现在变化也不太大，正是用来数一数初始质量函数的上好选择。
目标数一数太阳附近恒星的质量分布！
“准备就绪，开始计数！”
这个由国家天文台、南京大学、紫金山天文台科研人员组成的合作小组已经在一起工作和讨论很长一段时间了。他们之中有研究银河系结构的，有研究恒星演化的，有测量恒星参数的，有做星系化学演化的，有钻研初始质量函数理论的。不同研究方向的人聚在一起，为测量太阳附近恒星的质量分布，绞尽脑汁让每一个细节都没有纰漏。
每一次人类知识疆界的拓展都是站在巨人的肩膀上。这个研究小组的工作也额外仰仗了两个望远镜巨人中国的郭守敬望远镜（LAMOST）（图2），和欧洲空间局的盖亚空间望远镜（Gaia）（图3）。
位于国家天文台兴隆观测站的郭守敬望远镜（LAMOST）是世界上光谱观测效率最高的望远镜之一，为研究提供了海量的光谱观测数据。欧洲空间局发射的盖亚空间望远镜（Gaia）是银河系地图的绘制者，为我们提供了极高精度的测光和距离数据。
图2. 位于河北兴隆国家天文台观测站的郭守敬望远镜（LAMOST）。（摄影符晓婷）
图3. 欧洲空间局发射的盖亚空间望远镜（Gaia）（图片来源ESA）
研究小组结合这两个天上地下的大望远镜数据，在太阳附近筛选出了目前最精细的九万多颗恒星的样本，并给每一颗恒星按照金属丰度、年龄分类，得出了它们的质量。通过最直观的数星星的方法（天文学家管这个叫恒星计数法），从观测里直接数出了不同类型恒星的质量分布。
这些按照金属丰度和年龄分类的恒星，它们的质量分布，或者说它们的初始质量函数，究竟是不是一样的？
不！一！样！研究小组惊喜地发现，不管怎么数，都不一样！
在不同的年龄分组里，年轻的小质量恒星数量比例比年老组的高多了。这个现象告诉我们在很久很久以前，并没有那么多小质量恒星形成，后来形成的恒星里，小个儿的恒星数量比例增高了。
如果以金属丰度为恒星分组，也就是从元素演化的角度观察恒星的变化，我们发现随着金属含量越来越高，小质量恒星的数量也越来越多。这个现象告诉我们，在我们银河系演化的过程里，每次形成多少小质量恒星，是和元素演化息息相关的，分子云里金属越多，就越容易形成小质量的恒星。
原来，半个世纪以来天文学家们一直当作常量的恒星初始质量函数，其实是会随着年龄和金属含量变化的！（图4）
图4. 变化的恒星初始质量函数的艺术展示图。相比于宇宙诞生之初（围绕中心明亮部分的内环），在较年轻的星族里（外环），质量较小的恒星（红色的小圆盘）相比质量较大的恒星（浅黄色的圆盘）比例显著增加。图中右下角展示的是完成这一观测的郭守敬望远镜LAMOST外观。（图片设计吴坤）
做后来人前进的肩膀
这一把描述恒星质量分布的尺子，原来是会随着环境和宇宙演化而变化的啊……那使用这把尺子构建出的星族和星系演化的图景，又会怎样变化呢？对于依赖小质量恒星的系外行星探索，又会有什么样的影响呢？宇宙演化不同阶段的重子物质和暗物质质量的计算，会也产生变化吗？如果我们问得更深一点，究竟是什么导致了恒星初始质量函数随着环境变化？在如此复杂的初始质量函数下，恒星究竟是怎么形成的？
一个又一个新的问题，摆在了天文学家的面前。
好在新的问题就是科学不断前进的动力，我们今天的结果也会是后来人前进的肩膀。我国即将发射的中国空间站工程巡天望远镜（CSST）更将帮助天文学家们在银河系更遥远的区域、甚至是邻近的星系中，为回答恒星初始质量函数怎样变化、为什么变化这一系列问题提供新的答案。
图5. 中国空间站工程巡天望远镜（CSST）
http://.nature./articles/s41586-022-05488-1#Sec13
来源中国科学院紫金山天文台
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