恒星的化学元素丰度分析

恒星的化学元素丰度分析是探索恒星、银河系、甚至宇宙演化的基本途径。通过观测获得恒星的高分辨率光谱，不仅能够确定其化学丰度和空间分布，还能够结合年龄和运动学信息，得到银河系不同星族的化学丰度分布，从而为银河系的形成、结构和演化模型提供准确的约束条件。将恒星演化模型与观测结果进行对比，还能有效地追踪银河系自形成以来的化学演化历史、理解核合成理论，并且对现有的宇宙模型作出检验，促使人们对宇宙演化有更新的认识。

银河系不同星族的化学演化：新观测对现有模型的挑战

目前人们对宇宙大尺度结构和恒星演化理论的图像理解得比较清楚，而对连接宇宙和恒星两者之间的桥梁——星系的形成和演化还比较模糊，因此星系演化是现代天文学最重要的前沿领域之一。我们太阳系所在的银河系就是研究星系形成和演化的理想样本。

恒星的金属丰度可以看作是标志恒星年龄的“时钟”。确定不同时期形成的恒星的表面化学元素丰度，就能够追踪星系的化学演化历史。我们选取了三组具有不同金属丰度范围的恒星进行大样本的系统分析：

  • 金属丰度（[Fe/H]）介于-3.0和-1.0之间的恒星[1][2]，代表极端贫金属的、年老的晕族恒星。
  • 金属丰度（[Fe/H]）介于-1.6和-0.7 之间的恒星[3][4]，也就是中等贫金属的恒星，它们可能属于厚盘星。
  • 金属丰度（[Fe/H]）介于-1.0和+0.2 之间的恒星[5]，代表富金属的、年轻的盘族恒星。

通过观测这些恒星的高分辨率、高信噪比光谱，我们确定了二十多种元素随金属丰度变化的趋势，计算了它们的运动学参数和年龄，全面揭示了银河系不同星族的特征，描绘了银河系晕族、厚盘和薄盘的化学演化图像。

为了解释不同星族化学演化行为，我们建立了银河系的“三成份化学演化”模型[6]，重现了不同元素的演化趋势，发现了三类传统理论无法解释的异常恒星，即年老的富金属星、运动学参数异常的恒星和低[α/Fe]比率的恒星。按照传统的演化理论，早期形成的恒星金属丰度较低，而晚期形成的恒星金属丰度较高。而我们首次发现了几颗年老而又富金属的恒星[7]，对传统理论提出了有力的挑战。我们发现的第二类异常恒星是几颗绕银河系反向旋转的恒星，它们可能间接反映了银河系与周围其它星系的相互作用[8]。最后一类是所谓的低[α/Fe]比率的恒星，[α/Fe]代表α元素（如氧、钙、镁等）与铁元素的相对比率。由于银河系周围主要是矮星系，它们的演化很慢，在Ia型超新星的影响下，它们的[α/Fe]比率出比银河系低。我们发现银河系晕族恒星中的α元素丰度与运动学参数之间存在相关性，对银河系晕族包含坍缩和吸积两个成份的理论提供了证据。这些观测与发现对传统的星系化学演化框架提出了有力的挑战。

此外，我们还研究了红团簇巨星作为“标准烛光”与金属丰度之间的关系。红团簇巨星是处于氦核燃烧的中、小质量恒星，具有大致相同的光度，可以作为“标准烛光”使用，确定天体的距离。我们发现红团簇巨星可分为富金属和贫金属两类。大多数是质量为2个太阳质量的富金属星，少数为质量更小的贫金属星。进一步研究还发现它们的I波段绝对星等与金属丰度之间有一定的相关性，这一新结论以快报形式发表在国际著名刊物 Astrophysical Journal Letters 上[9]，对利用红团簇巨星作为"标准烛光"使用提出了新的观点。

非局部热动平衡效应的研究：解决重元素r-/s-过程之争

与目前国际上绝大多数的丰度分析一样，以上不同星族的高精度丰度分析大多采用了局部热动平衡的假设。这种假设并不是对每种元素都适合的，在某些天体物理环境下其结果可能严重偏离真实的情况，从而导致错误的结论。换句话来说，我们需要通过非局部热动平衡 (NLTE) 效应的修正进一步提高丰度分析的准确度。

NLTE效应的计算是一个困扰恒星天文学多年的难题。我们全面考虑了原子各种统计平衡过程以及与恒星大气模型的相互耦合，对典型的α元素——镁的 NLTE 效应进行了研究[10][11]，发现前人[12]给出的公式无法准确拟合谱线轮廓。我们创造性地加入了一项与原子激发电势和主量子数相关的修正项，很好的拟合了光学到红外波段的中性镁谱线轮廓。这种 NLTE 效应在贫金属矮星和巨星中尤为显著，对丰度的改正量可以达到1.6倍。我们也成为世界上仅有的几个能够定量计算 NLTE 效应的研究小组之一。

进一步，我们建立了 Li、Na、Al 、K、Sc 和 Fe 等原子模型，确定了太阳光谱中 NLTE 效应的影响，得到的太阳钾丰度和陨石的结果非常好地符合[13]。接下来，我们把这些原子模型应用到一些样本星上，首次发现银河系不同星族恒星的钾元素丰度具有不同的演化模式。此外，利用 NLTE 效应计算得到的[Na/Fe]、[Mg/Fe]和[Al/Mg]丰度比、运动学和年龄等参数，我们成功地给出银河系晕、厚盘和薄盘星族的划分判据[14][15][16]。以往条件下，星族划分一般需要大样本的统计分析，单颗恒星无法确定属于哪个星族。但是通过我们的高精度 NLTE 分析，找到了单颗恒星划分星族的判据，使得这种划分成为可能。

最后，NLTE 研究被成功应用于解决重元素起源的r-/s-过程之争。通常认为，贫金属星的重元素主要来源于快中子过程（r-过程）[17]，例如钡（Ba）元素，r-过程贡献是主要的, 慢中子过程（s-过程）是次要的，而太阳中的重元素却主要产生于s-过程。这就是著名的r-/s-过程之争。由于以前的研究主要局限于 LTE （局部热动平衡）假设，使得这一问题长期得不到根本解决。近年来，随着 NLTE 研究的不断深入，我们成功的利用它解决该论争。通过建立完备的钡原子模型，我们对25颗矮星的高分辨率光谱进行 NLTE 分析，发现随着金属丰度的降低，r-过程对钡元素的贡献比例上升，在厚盘星中达到33%，在更年老的晕星中可以达到67%，成为核合成主要贡献者[18]。这样，通过同时考虑谱线的超精细结构和NLTE效应基本解决了r-/s-过程论争。

参考文献

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