項目名稱： 通過恒星豐度探索銀河系化學(xué)演化的研究

推薦單位： 中國科學(xué)院

項目簡介： 本項目名稱為通過恒星豐度探索銀河系化學(xué)演化的研究，屬基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域。

星系是構(gòu)成宇宙的基本單元，研究星系特別是銀河系的演化是現(xiàn)代天體物理學(xué)重要前沿領(lǐng)域之一。近年來，申請者在如何提高元素豐度分析的精度和不同光譜類型恒星的系統(tǒng)分析方面取得了許多重要的研究進(jìn)展。主要的發(fā)現(xiàn)點有：1. 完成不同星族恒星的大樣本高分辨率光譜觀測和化學(xué)豐度的系統(tǒng)性定量分析。發(fā)現(xiàn)了年老而又富金屬、運動學(xué)參數(shù)異常和低[α/Fe］比率等三類性質(zhì)異常的恒星，表明銀河系演化中存在更為復(fù)雜的一些物理過程。2. 首次給出中性氫原子碰撞對譜線影響的正確公式�？紤]了某些元素的超精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂效應(yīng)和非局部熱動平衡效應(yīng)，顯著地提高了元素豐度的確定精度。3. 將豐度分析方法運用于太陽系外行星系統(tǒng)候選體的觀測研究。首次發(fā)現(xiàn)有行星系統(tǒng)的恒星可以存在于厚盤星族。新的觀測結(jié)果為高金屬豐度有利于行星形成的假說提供強(qiáng)有力的觀測支持。

本項目以大量高質(zhì)量光譜觀測為基礎(chǔ)，采用創(chuàng)新的方法，分析各類恒星的化學(xué)豐度及演化趨勢，使得我們的分析精度（0.04 dex）超過了國際同類研究(0.10 dex)，因而成為構(gòu)建銀河系化學(xué)演化理論模型的重要依據(jù)。這些工作主要基于我國最大的2.16米望遠(yuǎn)鏡和世界先進(jìn)觀測設(shè)備獲得的高分辨率光譜數(shù)據(jù)，共發(fā)表SCI論文103篇，被SCI論文引用1194篇次，他人引用947篇次（檢索報告見附件）。其中63篇論文發(fā)表在 "A&A"、"ApJ"、"MNRAS"和"AJ"等四大國際著名天文學(xué)期刊（影響因子分別達(dá)到4.223、6.308、5.352和5.377）。我們的研究成果曾先后被國際天文界最具權(quán)威的"天文與天體物理年評"（每年僅發(fā)表一期約十幾篇綜述；影響因子18.567）的十篇綜述引用。其中關(guān)于大樣本的系統(tǒng)性研究結(jié)果已成為本領(lǐng)域的經(jīng)典工作而被寫入教科書和專著。由15位著名學(xué)者聯(lián)合撰寫的"恒星中元素合成的四十年進(jìn)展"綜述文章（Rev. Mod. Phys. 69, 995；影響因子30.254）也引用了我們的兩篇論文。

主要發(fā)現(xiàn)點： 該項目的核心發(fā)現(xiàn)點為：

1、 通過銀河系恒星的高分辨率、高信噪比光譜觀測，系統(tǒng)地給出大樣本高精度的銀河系三個不同星族（暈、厚盤和薄盤）矮星的化學(xué)元素豐度，深入描繪銀河系不同星族的總體演化圖象。這一結(jié)果為建立合理的超新星核合成模型和星系化學(xué)演化模型提供了必不可少的觀測約束。高精確度的數(shù)據(jù)使得我們得以發(fā)現(xiàn)年老而又富金屬、運動學(xué)參數(shù)異常和低[α/Fe］比率等三類性質(zhì)異常的恒星，表明銀河系的演化不僅僅是從暈到盤的單調(diào)塌縮過程，期間還伴隨與近鄰星系的并合、銀核的三軸結(jié)構(gòu)引起的軌道擴(kuò)散，以及銀河系局域不均勻的化學(xué)演化等復(fù)雜的過程。這些新發(fā)現(xiàn)對傳統(tǒng)的星系化學(xué)演化理論框架提出了挑戰(zhàn)。通過對1300顆恒星的運動學(xué)參數(shù)與金屬豐度的相關(guān)分析，得出金屬豐度存在梯度，而且銀盤法向梯度明顯大于徑向梯度。結(jié)果支持銀河系暈族恒星先于盤族恒星、厚盤恒星先于薄盤恒星形成的化學(xué)演化模型。

（該發(fā)現(xiàn)點屬于實測天體物理學(xué)科， 見附件中的代表論文1、2、3、4、5）。

其它重要的發(fā)現(xiàn)點為：

2、通過非局部熱動平衡（NLTE）效應(yīng)計算，顯著地提高了元素豐度的準(zhǔn)確度。在構(gòu)造合理完備的鎂原子模型基礎(chǔ)上通過擬合從光學(xué)到紅外波段的中性鎂譜線輪廓修正了Drawin（1969）的近似公式，首次給出中性氫原子碰撞對譜線影響的正確公式。指出具體定量結(jié)果與所分析恒星光譜型及化學(xué)組成有關(guān)，并將NLTE效應(yīng)的修正整理成易用的表格，使其具有實用性。這一公式在其他研究者對Na、Al、Ca、Si和Ba等元素NLTE效應(yīng)分析中所采用，并由此給出了這些元素可靠的NLTE修正量，表明此公式適用于所有與中性氫碰撞的原子譜線計算。特別地，通過NLTE計算我們發(fā)現(xiàn)重元素（如Ba）豐度隨金屬豐度減少，r-過程核合成貢獻(xiàn)有增加的趨勢。這為r/s-過程論爭的解決提供了可靠的觀測證據(jù)。

（該發(fā)現(xiàn)點屬于實測天體物理學(xué)科， 見附件中的代表論文6、7)。

3、將豐度分析方法運用于太陽系外行星系統(tǒng)候選體的觀測研究。通過利用超精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂效應(yīng)的分析技術(shù)確定具有行星系統(tǒng)恒星的金屬豐度分布，比較18種元素豐度在具有行星系統(tǒng)恒星與普通恒星中的差異，以及研究元素豐度與濃縮溫度之間的關(guān)系并從多方面論證了高金屬豐度是原初的，不是吸積行星物質(zhì)造成的。這些結(jié)果支持高金屬豐度有利于行星形成的假說。首次發(fā)現(xiàn)厚盤星族也存在有行星系統(tǒng)的恒星。從光譜分析判斷HD190228的伴星應(yīng)為褐矮星，而非以前工作認(rèn)為的行星。

（該發(fā)現(xiàn)點屬于實測天體物理學(xué)科， 見附件中的代表論文8、9、10）。

主要完成人： 趙剛

1. 對第一、二、三發(fā)現(xiàn)點有貢獻(xiàn)，占本人工作量85%以上，代表性論文1、6、8

2. 提出并組織本項目各子課題的研究工作

3. 大樣本貧金屬星的系統(tǒng)研究

4. 完成鎂的非局部熱動平衡分析

5. 完成有行星系統(tǒng)恒星的豐度分析

陳玉琴

1. 對第一、三發(fā)現(xiàn)點有貢獻(xiàn)，占本人工作量90%以上，代表性論文2、4、9

2. 完成大樣本盤族恒星金屬豐度分析

3. 確定特殊元素鋰、鈧、錳的演化趨勢

4. 有行星系統(tǒng)恒星的Li豐度和周圍環(huán)境研究

張華偉

1. 對第三發(fā)現(xiàn)點有貢獻(xiàn)，占本人工作量85%以上，代表性論文10

2. 大樣本中等貧金屬恒星豐度分析

3. 晚型恒星的非局部熱動平衡分析

4. 海爾－波普彗星高分辨率光譜觀測與分析

施建榮

1. 對第一、二發(fā)現(xiàn)點有貢獻(xiàn)，占本人工作量85%以上，代表性論文3、7

2. 大樣本恒星運動學(xué)研究

3. 晚型恒星的非局部熱動平衡分析

4. 盤星的碳和氮元素分析

梁艷春

1. 對第一發(fā)現(xiàn)點有貢獻(xiàn)，占本人工作量60%以上，代表性論文5

2. 若干鋇星的金屬豐度分析

3. 構(gòu)造星系化學(xué)演化模型

4. 核合成反應(yīng)效率計算