贫金属星——记录宇宙年龄的“活化石”

20世纪天文学的一项重要发现就是人们认识到在银河系中数以亿万计的恒星，并不都是和太阳一样具有相同的化学组成。其中有一类恒星，它们的大气中重元素（如铁元素等）的丰度远比太阳低得多，从而能够为探究现代天体物理中许多未解之谜提供非常重要的科学证据和解释。这类特殊的恒星群体就是今天我们介绍的主角：记录宇宙年龄的“活化石”——贫金属星。

作为宇宙非常早期就已经形成因此具有极特殊化学构成的一类天体，贫金属星为帮助我们进一步认识和了解宇宙演化历史提供了极为宝贵的观测数据，对于解开许多天文学未知之谜具有不可替代的重要地位。

有助于探究宇宙大爆炸之初的物理过程 根据标准大爆炸模型的预言，今天宇宙中的轻核元素锂、铍、硼产生于宇宙诞生之初。而测量贫金属星中锂元素的丰度就能够直接为检验宇宙大爆炸模型提供有力的观测证据。

有助于了解第一代恒星的性质 现有的标准宇宙模型和天文观测结果表明，在宇宙大爆炸之后的几百万年时间中，就已经开始有恒星形成，并且正是因为这些恒星形成的活动促使比锂更重的元素开始产生。对于这些“高龄”贫金属恒星的丰度进行观测与分析，无疑将对我们了解星系和宇宙的形成历史起到重要作用。

有助于检验星系化学演化模型和核合成理论 不同丰度的贫金属星包含了星系化学演化和元素核合成的基本信息。天文学家通过构建合理的理论模型能够预言各种天体物理环境下通过核合成方式产生的重元素及其丰度演化趋势。搜寻和发现更多的贫金属星必然能够使我们更深入的检验现有的星系化学演化模型和核合成理论。

对于贫金属星的观测和研究，还能够帮助人们获取关于宇宙早期质量函数的信息，理解金属丰度分布的性质，认识天体物理中许多重要化学元素的产生过程等等，是我们了解和探究宇宙诞生和早期演化的重要手段，也是认识和理解宇宙演化历史的一扇窗口。因此，贫金属星常常被天文学家们称为宇宙空间中的“活化石”，而人们也已经在寻找和观测贫金属星的道路上进行了跨越半个多世纪的努力。

人类第一次意识到贫金属星的存在是在上世纪四、五十年代。天文学家在进行恒星光谱分类时发现了一些具有特殊金属谱线的恒星，在其后的两年时间里，围绕这些特殊的恒星开展了一系列调研工作并取得了突破性的成果。1951年，天文学家Chamberlain和Aller第一次对其中的HD19445和HD140283进行了光谱分析，并发现如果其金属含量低于太阳金属丰度就能够解释它们所表现出来的光谱特征。在随后的几十年里，对于贫金属星的观测和研究工作逐渐发展并成熟起来，不断获得新的发现，成为了现代天体物理中具有重要意义的前沿领域。

2002年，德国天文学家Norbert Christlieb博士和他的合作者在凤凰座发现了一颗16等的巨星HE0107-5240（图1），它的金属丰度为-5.3，即为太阳金属丰度的1/200000，这颗120亿岁的“高龄”星当选为当时历史上最贫金属星。然而就在3年之后的2005年4月，HE1327-2326（图2）与以-5.6的金属丰度打破了这一纪录，这颗超贫金属星的丰度仅为太阳的1/250000，寿命为132亿年，几乎与宇宙年龄相同（137亿年），仅仅包含极少数几种质量比氢和氦重的化学元素，是迄今为止人类发现的金属含量最少的恒星。

随着天文技术和观测手段的不断发展，对于贫金属星的观测也逐渐系统化和精确化。宽视角、低分辨率的物端棱镜光谱巡天是目前搜寻和证认贫金属星最有效的方法之一。这里要介绍迄今为止两个最重要的搜寻银河系贫金属星的物端棱镜巡天：

HK巡天。美国天文学家Tim Beers教授和他的合作者开展的HK-I以及HK-II巡天，为搜寻贫金属星提供了重要的数据资料。这个巡天在北半球和南半球覆盖天区面积分别达到2800和4100平方度，已经完成的HK-I巡天成功地探测到大约1000颗金属丰度小于-2.0和100颗丰度低于-3.0的极端贫金属星。

HAMBURG/ESO巡天。这个来自欧洲的巡天项目常被称为HES巡天。由于它所能探测到的极限星等比HK巡天要深近两个星等，巡天所能观测到的极端贫金属星数目也几乎比前者高出一个量级，为天文学研究提供了更为丰富的贫金属星样本。

在过去的十年中，大批贫金属星的发现为天文学家们探究早期宇宙和星系中各种化学元素的产生和演化提供了大量有价值的观测信息，使得我们对于宇宙诞生和星系演化的早期历史有了更深入的了解。与此同时，也对未来的搜寻与研究工作提出了更高的要求：更大的搜寻天区、更深的探测极限，以获取更多的贫金属星样本。

以HK和HES为代表的一系列搜寻贫金属星的巡天项目仍然在更大的天区范围内继续进行着，而另一方面，许多新的巡天项目也正蓄势待发，期待着探测到数目更多、金属丰度更贫的候选体，例如RAVE、SIDING SPRING/HAMBURG、SEGUE等等巡天项目。这其中也有为国际天文界所关注的由我国自主建造的大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（LAMOST）。

正在建设中的LAMOST位于中国科学院国家天文台的兴隆观测站，2007年5月28日其小系统试观测时获得了第一条天体观测光谱。它是一架横卧南北方向的中星仪式反射施密特望远镜。应用主动光学技术控制反射改正板，使它成为大口径兼大视场光学望远镜的世界之最。由于它的大口径，在曝光1.5小时内可以观测到达20.5等的暗弱天体。同时，由于它具有的大视场，在焦面上一共可放置4000根光纤，将遥远天体的光分别传输到16台光谱仪中，即可同时获得4000个天体目标光谱。这使得LAMOST成为世界上光谱获取率最高的望远镜，也使我国在大规模光谱观测及大视场天文学研究领域居于国际领先的地位。结合大口径、宽视场和高光谱获取率等诸多优势于一身，LAMOST必将成为观测和搜寻贫金属星的理想工具，也必定能够为我国天文学家在研究贫金属星以及宇宙和星系演化历史等方面取得重要的突破性进展。

从最初被怀疑是否真的存在，直到今天需要依靠它们去探索第一代恒星、早期星系甚至宇宙的原初性质和演化历史，贫金属星的搜寻和研究之路经历了同许多其它重要发现一样的不平凡的历程，也取得了具有里程碑意义的发现。在接下来的几十年里，随着对于这些宇宙空间的“活化石”进行搜寻与研究的手段的不断改进和完善，探寻和认识早期宇宙真实历史的篇章才刚刚拉开序幕。未来之路更值得我们期待，也希望能够有更多的年轻力量加入到这个奇妙而有生命力的探索旅途中来。