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发现盘古：揭秘极早期银盘的起源和演化
北京时间10月10日，国际科学期刊《自然·天文》在线发表了由中国科学院国家天文台和德国马普天文研究所等国内外单位联合完成的一项重要科研成果。研究团队基于国家重大科技基础设施郭守敬望远镜（LAMOST）以及欧空局Gaia卫星数据，揭示了古银盘的空间结构演化，发现现存最古老的银盘结构成分起源于距今约135亿年前。该发现对深入理解星系和宇宙的早期起源和演化具有重要意义。像银河系这样同时具有盘和晕的漩涡星系是先形成盘还是晕？这是理解星系如何起源和早期宇宙环境的关键问题。暗能量和冷暗物质模型（ΛCDM）是近年来流行的星系和宇宙结构形成标准理论模型。该模型预言，宇宙早期环境动荡不安，星系之间存在频繁且剧烈的吞噬和合并现象，这可能使得早期星系盘难以存在和维持。观测上，过去发现的绝大部分河外盘星系的红移小于3（对应年龄小于110亿年）；而对于银河系，长期以来人们也普遍认为银晕是银河系最古老的结构，而银盘则晚于银晕，于大约100亿前（宇宙30多亿岁）形成。然而，近年来詹姆斯.韦布太空望远镜（JWST）令人惊奇地发现星系盘可以出现在更高的红移：即便是红移大于5的星系，盘结构仍相当普遍地存在。同样，对银河系恒星化学运动学数据的研究也表明，一些年老贫金属恒星具有与相对富金属的银盘恒星相似的轨道运动学性质，暗示银盘出现的时间可能更早。但是关于早期银盘存在的信息仅限于通过恒星化学运动学性质的猜测，由于缺乏古老恒星的统计大样本及精确年代学信息等原因，人们一直无法得知早期银河系的真实结构及其演化历史。在本项研究中，科研团队基于利用LAMOST和Gaia巡天数据获取的迄今最精确的恒星年龄大样本，结合统计建模详细重构出了银盘恒星的空间分布结构随年龄的演化，首次发现年龄为130-135亿年的极古老恒星其空间分布仍呈现出清晰的盘结构。这说明古银盘在宇宙刚诞生不久的数亿年内就已经开始形成，并且在后续130多亿年的星系演变过程中得以幸存下来。这比此前JWST观测到的盘结构更早，是目前已知最早的星系盘。这一极早期形成的古银盘成分被命名为“盘古”，类比于中国神话里开天辟地的人物。研究进一步得出盘古的恒星质量约为2×109（20亿）倍太阳质量，远大于早期银晕的恒星质量，表明盘古可能为极早期银河系的主导结构。此外，该研究还对理解早期银河系的结构演化具有重要启发意义。首先，研究发现在80-135亿年前的50多亿年间，古银盘的结构演化主要发生在垂直银盘面的方向，并解释这一演化效应可能由形成恒星的气体垂向冷却（upside-down）和恒星垂向加热（heating up）机制共同决定。同时，通过与星系流体数值模拟数据进行对比，研究进一步发现，实际的银盘比数值模拟中的银盘要更薄，表明银河系实际经历的早期演化环境比理论预期要更加宁静。国家天文台向茂盛研究员是该论文的第一作者和通讯作者。国家天文台刘继峰研究员和德国马普天文研究所的汉斯-沃特.瑞克斯（Hans-Walter Rix）教授为该论文的共同通讯作者。此研究还包括来自北京师范大学天文与天体物理前沿研究所、中国科学院大学、加拿大多伦多大学等多家机构的天文学家。本项研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金，以及腾讯新基石研究员项目的资助。论文地址：https://www.nature.com/articles/s41550-024-02382-w 极早期银河系想象图。（绘制：LAMOST运行和发展中心） 银河系老龄恒星的空间分布结构参数。横坐标为标长，纵坐标为标高。呈现出盘结构（标高小于标长）的恒星年龄高达130多亿年。
2024-10-10
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FAST核心阵科学和技术研讨会召开
北京时间2024年9月25日，正值中国天眼FAST落成启用八周年之际，FAST核心阵科学和技术研讨会在贵州省平塘县克度镇召开，来自国内科研机构、高校共28家单位的逾百位专家学者齐聚一堂，就FAST核心阵的科学和技术研究及FAST未来发展进行深入研讨与广泛交流，共同谋划FAST核心阵的科学规划和建设。作为中国乃至世界射电天文学领域的一个重要里程碑，500米口径球面射电望远镜（FAST），被誉为“中国天眼”，自2016年9月25日落成以来，已经取得了多项世界级的科学成果，对推动我国天文学实现重大原创突破做出了重要贡献。FAST作为世界最大的单口径射电望远镜，在灵敏度方面具有无可比拟的优势，但在分辨率和成像能力方面存在一定局限，在国际天文学相关领域持续抢占先机的能力还需要继续提升。为了进一步巩固FAST的国际领先地位，应对当前激烈的国际科技竞争态势，FAST团队创新性地提出了一种低成本、可快速实施的FAST核心阵方案，旨在大幅提高望远镜的分辨率、精确定位和精细成图能力，显著提升FAST的科学观测能力，以相对较小的成本代价，挖掘中低频领域的前瞻性科学成果，并力争取得新的重要突破。近年来，FAST团队前瞻布局开展了FAST核心阵试验样机的研制工作，为FAST核心阵的建设提供技术储备和试验验证，今天上午隆重举行了FAST核心阵首台试验样机的奠基仪式。FAST核心阵的建设，将进一步提升望远镜灵敏度优势和优良成图能力，聚焦极端致密天体的起源与演化等当前天文学最前沿的科学问题，有望在时域天文、宇宙的成分与演化和引力波暴等研究领域率先取得突破性成果，为人类探索宇宙奥秘提供更为强大而精准的观天利器。
2024-09-25
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嫦娥六号月球样品成分揭秘
2024年9月17日，中国科学院国家天文台李春来、中国探月与航天工程中心胡浩、北京控制工程研究所杨孟飞领导的联合研究团队在科学期刊《国家科学评论》（National Science Review, NSR）发表嫦娥六号返回样品的首篇研究论文，揭秘了嫦娥六号样品的物理、矿物和地球化学特征。人类在探索月球的浩瀚征途中，曾先后通过6次Apollo任务、3次Luna任务和1次嫦娥五号任务，从月球表面带回380余公斤样品。然而所有这些样品都来自月球正面，嫦娥六号（CE-6）任务首次完成人类从月球背面采样的壮举，带回1935.3克珍贵样品。本次采样任务的着陆点位于月球背面南极-艾特肯（South Pole-Aitken，SPA）盆地。采样点位于SPA盆地内部阿波罗撞击坑边缘，该区域月壳极薄，有望揭露月球背面早期撞击盆地的原始物质。嫦娥六号样品不仅包括了记录火山活动历史的玄武岩，还混合了来自其他区域的非玄武质物质。这些样品，如同月球远古时期的“信使”，为我们研究月球早期的撞击历史、月球背面火山活动以及月球内部物质组成提供了重要的第一手资料。研究团队通过对嫦娥六号返回样品进行深入研究，发现本次样品密度较低，表明其结构较为松散，孔隙率较高。颗粒分析显示，月壤的粒径呈现双峰式分布，暗示样品可能经历了不同物源的混合作用。与嫦娥五号样品相比，此次样品中斜长石含量明显增加，而橄榄石含量显著减少，表明该区域的月壤明显受到了非玄武质物质的影响。此外，嫦娥六号采集的岩屑碎片主要由玄武岩、角砾岩、粘结岩、浅色岩石和玻璃质物质组成。其中，玄武岩碎片占总量的30%~40%，其矿物以辉石、斜长石和钛铁矿为主，橄榄石含量极低。角砾岩和粘结岩由玄武岩碎屑、玻璃珠、玻璃碎片以及少量的斜长岩和苏长岩等浅色岩石碎屑物质构成，进一步揭示了样品来源的复杂性。矿物学分析显示，嫦娥六号月壤样品的主要物相组成为斜长石（32.6%）、辉石（33.3%）和玻璃（29.4%）。其中玻璃含量接近阿波罗样品的下限。此外，样品中还检测到少量的斜方辉石，暗示了非玄武质物质的存在。地球化学分析进一步揭示，嫦娥六号样品中的铝氧化物（Al₂O₃）和钙氧化物（CaO）含量较高，而铁氧化物（FeO）含量相对较低，这与月海玄武岩和斜长岩混合物的特征一致。此外，样品中的钍（Th）、铀（U）和钾（K）等微量元素含量显著低于KREEP玄武岩，与位于月球正面风暴洋克里普地体中的阿波罗任务和嫦娥五号任务的样品表现出了巨大差异。本次嫦娥六号带回的月球背面样品，不仅填补了月球背面研究的历史空白，为我们研究月球早期演化、背面火山活动和撞击历史提供了直接证据，也为理解月球背面与正面地质差异开辟了新的视角。图1：嫦娥六号与嫦娥五号、美国Apollo计划及苏联Luna计划落点示意图图2：嫦娥六号返回样品的典型图像。（a）从 CE-6 铲取样品中挑选出的部分大于1毫米的岩屑颗粒。（b-e）不同结构特征的玄武岩屑，（f-g）角砾岩和（h）粘结岩的背散射图像（BSE）。典型玄武岩（i 和 j）、粘接岩（k）、浅色岩屑（l）和玻璃物质（m 和 n）的体式显微镜照片。
2024-09-18
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LAMOST助力在双星中发现遁形已久的小黑洞
北京时间9月10日，国际科学期刊《自然·天文》在线发表了一项中国科学院国家天文台和上海交通大学联合主导的重要研究成果。研究团队基于国家重大科技基础设施郭守敬望远镜（LAMOST）以及欧空局的Gaia卫星数据，通过视向速度方法和天体测量方法，在双星系统中成功发现了一颗位于黑洞质量间隙的小质量黑洞。近60年来，天文学家基于传统X射线方法已经证认并测量了20余颗恒星级黑洞的质量，其质量分布显示为缺少3—5倍太阳质量的黑洞，这一区间被称为黑洞质量间隙。这与黑洞形成理论的预期——小质量黑洞数量远多于大质量黑洞——大相径庭。天文学家试图通过修改超新星爆炸理论来解释该质量间隙，也有研究认为超新星爆炸会更容易瓦解包含小质量黑洞的双星系统，从而导致了这一观测效应。尽管近年来激光干涉引力波天文台（LIGO）的观测揭示了黑洞质量间隙内存在致密天体，然而，小质量黑洞是否可以存在于双星系统中仍然是一个备受争议的问题。这类系统中的双星很可能无相互作用（如物质传输），因此没有X射线辐射，但可以通过视向速度和天体测量方法进行搜索。 图1：G3425双星想象图，包含一颗可见的红巨星和一颗不可见的小质量恒星级黑洞（王松绘制）。 在这项研究中，科研团队基于LAMOST光谱数据和Gaia的天体测量数据，在双星系统G3425中发现了一颗小质量恒星级黑洞（图1）。该双星系统中，可见星为一颗质量约为2.7倍太阳质量的红巨星，而不可见星的质量约为3.6倍太阳质量（3.1到4.4倍太阳质量之间）。光谱分解显示，除了红巨星的光谱外，G3425中不包含来自其它成分的光谱，这有力证明了该不可见天体为一颗黑洞，也证明了包含小质量黑洞的双星系统是可以存在的。结合引力波等方法发现的小质量黑洞系统，研究团队认为质量间隙可能是由于单一观测方法造成的选择效应。更为奇特的是，G3425系统的轨道周期约为880天，轨道椭率接近为0（图2）。如此宽圆轨道的双星形成机制对当前的双星演化和超新星爆炸理论提出了挑战。 图2：（a）视向速度数据拟合。（b）天体测量数据拟合。（c）G3425与其它恒星级黑洞在质量—轨道周期分布的比较。 “Gaia天体测量数据分析不仅确认了LAMOST所发现的黑洞，而且给出了双星轨道的倾角，进而测量到了黑洞的绝对质量，使得我们可以确信它是在质量间隙内的黑洞。这个发现再次证明了视向速度和天体测量的结合可以帮助我们发现包括黑洞和行星在内的大量暗天体，并揭示它们形成与演化的奥秘”，上海交通大学副教授冯发波兴奋地说。该研究成果得到了两位审稿人的高度评价，他们一致认为：“G3425是一个非常有趣的双星系统，它的轨道特征挑战了双星演化和超新星爆炸的现有理论”（"The authors have discovered a very interesting new kind ofbinary system" from Referee #1; "The low mass as well as the wide butcircular orbit make this an interesting system, because it challenges currenttheories of binary evolution and supernova physics" from Referee #2）。中国科学院国家天文台王松副研究员是该论文的共同第一作者和通讯作者。上海交通大学冯发波教授和中国科学院国家天文台刘继峰研究员为该论文的共同通讯作者。中国科学院大学博士研究生赵欣林是该论文的共同第一作者。此项研究还包括来自中国科学院国家天文台、中国科学院云南天文台、南京大学等多家机构的其他天文学家。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41550-024-02359-9
2024-09-10
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国家天文台召开2024年度发展战略研讨会
为深入学习贯彻党的二十届三中全会、全国科技大会精神和院党组夏季扩大会议精神，以抢占天文科技制高点为核心，推动关键性、原创性、引领性重大科技成果产出，前瞻谋划“十五五”及未来一个时期的发展，国家天文台于8月24日-25日召开2024年度发展战略研讨会。国家天文台发展战略指导委员会委员，学术委员会特邀委员，台领导班子成员，党委委员，台务委员，各研究部、科研单元、职能处室负责人参加会议。会议由发展战略指导委员会主任蔡荣根院士、景益鹏院士和台党委书记汪洪岩主持。 会上，国家天文台台长、党委副书记刘继峰作了题为《国家天文台战略规划发展思考》的报告，汇报了国家天文台“十四五”期间的发展现状，分析了外部环境与问题挑战，总结了未来的发展思路。国家天文台七个研究部及深空专项研究中心分别围绕各自领域的创新进展和未来发展思路进行了报告。 与会专家对国家天文台“十四五”以来取得的成绩给予了积极评价，充分肯定了国家天文台当前良好的发展态势。与会专家一致认为，在当前形势下，加强战略研究对国家天文台未来发展至关重要。与会专家对标天文科技强国的内涵要求和国家重大战略需求，就国家天文台的定位与重点方向、优势领域、战略研究、人才培养以及国际合作等方面提出了宝贵意见与建议。 通过本次发展战略研讨，国家天文台领导班子和广大科技及管理骨干进一步明确了天文领域国家战略科技力量主力军的职责使命，将按照党中央要求和院党组部署，认真总结“十四五”工作，深入研究“十五五”发展战略与规划，统筹推进科技创新与改革发展，加快抢占天文领域科技制高点，在实现高水平科技自立自强、建设天文科技强国的新征程中做出新贡献。
2024-08-30
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FAST数据进一步揭示星系内的原子-分子转化过程
星系的重子循环描述了气体冷却并坍缩形成恒星、恒星反馈加热并电离气体、气体冷却后再次促进恒星形成的物理循环过程。该过程将星际介质、环星系介质和外部环境中的多相气体动力学及介质转化联系起来，是天文学研究的热点之一。气体是重子循环过程的必要原材料，其中冷气体,如中性氢(HI)和分子氢(H2）, 对星系形成与演化的调节作用是重子循环的重要过程。不同星系中HI和H2的分布和含量存在显著差异，这可能源自于原子-分子气体转化对星系内部环境的敏感性和依赖性。为了进一步探索这一问题，国家天文台余捻坤博士、郑征副研究员、蔡肇伟研究员等人利用中性氢、一氧化碳以及光学集成视场单元的数据，结合FAST的HI新观测建立了具有多波段观测数据的样本。利用分子气体和原子气体的质量比（即分子气体比例）来量化HI-H2的转化效率，并使用三维的光学诊断图（Ji & Yan 2020）来诊断星系内部电离气体的种类及其相对金属丰度和电离态。研究发现，随着分子气体比例的增加，星系的金属丰度增加但电离态降低。这一结果暗示高效的气体转化可能发生在高金属丰度、低电离态的区域。该研究深化了我们对星系中气体转化过程的理解，为深入探究星系内部的多相气体介质和化学过程以及星系中的重子物质循环过程提供了重要线索，并为星系演化的理论模型提供了重要的观测数据支持。尤其值得注意的是，随着FAST等大型天文观测设施的不断投入使用，我们有望获得更多关于星系气体成分的高质量数据，这将为深入研究星系的重子循环过程及多相星际介质的演化提供新的机会。英国伦敦大学学院的Amélie Saintonge教授评价“该工作很好的展示了如何将解析和全局观测相结合从而更好地理解驱动恒星形成和星系演化的复杂且多尺度的过程”（The work of Yu et al.（2024）therefore nicely shows the potential of combining resolved andglobal observations of galaxies to better understand the complex multi-scaleprocesses that drive star formation and galaxy evolution）。香港中文大学的严人斌教授评价“这项研究为星系内气体转化过程提供了新的见解，突出了金属丰度和恒星质量表面密度的关键作用。此外，还指出了气体转化对电离态的潜在依赖性，而电离态则反应了星际介质中辐射场的情况。”(this study offers new insights into the gas conversion processeswithin galaxies, highlighting the key role of metallicity and stellar masssurface density. It also points out the potential dependence on the ionizationstate of the gas, which could reflect the radiation field in the ISM)。该成果于2024年7月1日在线发表于《中国科学：物理学 力学 天文学》（SCIENCE CHINAPhysics,Mechanics & Astronomy）。这项工作由国家天文台领衔完成，余捻坤，郑征和蔡肇伟为论文通讯作者。文章链接：https://doi.org/10.1007/s11433-023-2387-2
2024-08-06
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国家天文台科研人员揭开天体高能电子产生之谜
近日，国家天文台实验室天体物理研究团队联合北京大学、中国科学院物理研究所、上海交通大学等多家单位在上海神光二号（SG-II）装置上首次实现了大尺度动理学湍流等离子体中的电子随机加速过程，揭开了复杂天体环境中高能电子的产生谜团，研究成果以“Electronstochastic acceleration in laboratory-produced kinetic turbulent plasmas”为题，于2024年7月13日在国际科学期刊《Nature Communications》发表。天体中高能粒子的起源问题长期困扰着天体物理学家（Science发布的125个科学问题之一）。磁重联加速、冲击波加速和随机加速等多种机制被提出用来解释不同天体环境中高能粒子的产生。近期实验室天体物理在粒子加速方面取得了一系列重要进展，在实验室实现了湍流磁重联加速和冲击波加速。然而到目前为止随机加速机制还未被证实，其主要难点在于如何在实验室产生和天体类似的大尺度动理学湍流等离子体。论文第一作者袁大伟博士介绍，研究团队利用SG-II装置在实验室产生超音速对流等离子体，束流速度各向异性诱导电磁Weibel不稳定性的产生和发展，进而诱发形成大尺度的等离子体紊乱结构（~1×2×2 mm3），采用傅里叶频谱分析发现：该紊乱结构的功率谱与动理学湍流谱高度一致，实验还同时测量来自于不同角度的高能电子幂律谱。理论模拟发现，该高能电子主要来自于湍流等离子体中的热电子与磁岛发生多次“碰撞“获得能量增益，即湍流随机加速，该研究对于理解天体复杂环境中的粒子加速和高能辐射具有重要意义。国家天文台赵刚院士、上海交通大学李政道研究所所长张杰院士、中国科学院物理研究所李玉同研究员和北京大学乔宾教授为论文通讯作者。此项研究得到了国家重点研发计划、中国科学院青年交叉团队、中科院A类先导专项、中国科学院青促会资金的资助支持。合作单位包括中国科学院物理研究所，北京应用物理与计算数学研究所，北京大学，上海交通大学，北京师范大学，复旦大学，上海光学精密机械研究所等。论文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-024-50085-7 实验室产生电子随机加速过程的艺术图。图中红色小球代表被加速的高能电子，白色曲线代表随机加速电子的运动轨迹，背景紊乱的结构代表天体中大尺度湍流等离子体。电子随机加速实验。a.实验布局图，b.光学诊断测量的非线性Weibel不稳定性诱导产生的动理学湍流等离子体，c.典型热电子背景能谱和非热电子能谱，d.理论模拟给出电子随机加速的运动轨迹，e.电子每次碰撞后获得的能量增益。
2024-07-16
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