富含重金属的星星们有一百亿岁！

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翻译：甘林

校译：酥油饼

审阅：梁美珍 林钰然

编排：张一帆

后台：李子琦

https://www.cfca.nao.ac.jp/pr/20221114

我们生活的太阳系所处的银河系，被认为是138亿年前宇宙诞生后的数亿年里开始形成的。但是，从诞生到形成的过程充满了谜团，至今仍有许多未解之谜。

下文中出现的“东北大学”，“国立天文台”皆指“日本东北大学”（Tohoku University）与“日本国立天文台”（National Astronomical Observatory of Japan）。

东北大学大学院理学研究科的平居悠研究员等(日本学术振兴会特别研究员-CPD(强化国际竞争力研究员)/巴黎圣母院大学物理天文系)与国立天文台、计算基础科学合作中心以及神户大学共同使用国立天文台的天文学专用超级计算机“ATERUI II”（注1）,成功地以世界最高分辨率模拟了银河系形成的样子。 结果表明，富含金、铂等比铁重的重金属元素的星星，是100多亿年前，在银河系前身的小星系中形成的。 另外，本模拟中形成的恒星的元素量、运动与对银河系中恒星的观测一致。今后，随着国立天文台昴星团望远镜(注1)等观测的进展，以富含重金属的星星为指标，有望追溯100多亿年前的银河系形成史。

2022年11月14日(英国时间)，该研究成果在线公开于英国学术杂志《皇家天文学会月刊》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)上。

图1:本次研究中由银河系形成模拟而出的星星和气体的分布图。黄色描绘的是星星，淡蓝色描绘的粒子表示气体。(图片来源:平居悠)

银河系是包括我们生活的太阳系在内的，拥有庞大星体数量的星系。我们身边几乎所有的元素都是在恒星中合成的，明确银河系是如何形成的，是天文学上长久以来的课题。理解银河系形成的线索可以从恒星的元素组成中获得。在恒星结束生命的时候，元素被分散在恒星周围，这将会被下一代恒星继承。也就是说，恒星的元素组成记载着恒星形成之前银河系的历史。

根据国立天文台昴星团望远镜等的观测，银河系中有很多比铁重的元素(金、铂等贵金属)以及含有铁的比例是太阳5倍以上的星星。欧洲发射的天体测量卫星“Gaia”(注2)的观测数据表明，这些恒星中的大多数都与太阳有着不同的轨道。这样的特征表明，富含比铁更重的元素的星星极有可能强烈反映了银河系形成史。但是，这些恒星在银河系的历史中是在何时、如何形成的，还尚未明确。

因此，东北大学大学院理学研究科的平居悠研究员等的国际研究小组,运用的国立天文台天文学专用超级计算机”ATERUI II” 模拟了138亿年前从宇宙诞生到现在银河系的形成过程。结果表明，富含比铁更重的重金属元素的星星，大多是在100亿年前，形成于当时还是小星系的银河系中。

在本研究中，以世界最高分辨率成功地模拟了银河系的形成过程。这个模拟可以根据宇宙初期的密度不均来计算暗物质(注3) 以及气体在重力的作用下聚集之后恒星在其中形成的情况(图1)。研究小组使用自行开发的数值计算代码和”ATERUI II”,实现了比原有高10倍左右的高分辨率运算。这样一来，我们就可以将一直无法分解的小银河系从空间上分解，探索其中恒星诞生情况。

在模拟实验中，分析了富含比铁重的元素的恒星是在何时、何地、如何形成的。如图2所示，调查恒星形成的时期，发现富含比铁重的元素的9成以上的恒星是在宇宙诞生后的40亿年内形成的。这些星星大多诞生于还在形成中的小星系中。在这样的小星系中，由于气体的量少，即使是一次重金属合成现象，也比整个星系重元素或者比铁重的元素的比例高。在这样的环境下恒星诞生的话，从那个恒星继承的比铁重的元素量也会变高。

图2:从模拟中得到的含铁量与星星诞生时间的关系。红点是富含比铁重的元素的星星。黄色、绿色、蓝色的颜色渐变是所有的星星。(图片来源:Hirai et al.)

将昴星团望远镜等观测到的银河系中的星星的重金属量和模拟预测到的重金属元素之一的铕(Eu)的量进行比较，显示出非常相似的分布(图3)。 这一结果意味着，在银河系中发现的富含比铁更重的元素的恒星，大多拥有100亿岁以上的年龄，把宇宙初期银河系的形成史传唱至今。

此外，在本研究中，通过假设2017年探测到的引力波的中子星合并释放出的重金属量，如图3所示，可以清晰地看出银河系中比铁更重的元素量。

图3:铕和铁的比例分布。橙色和蓝色分别是对银河的观测和模拟的结果。作为比铁重的元素的代表性例子，用观测例子多的铕进行了比较。(图片来源:Hirai et al.)

本成果用世界最高分辨率的银河系形成模拟，阐明了富含比铁重的元素的星星的起源。根据这一成果，以富含比铁重的元素的星星为指标，使探索至今仍是谜的100亿年前的银河形成史成为可能。由此，从宇宙整体到组成我们的元素的尺度，有望开展超越领域的研究。这些研究可以直接回答“我们从哪里来?”这个问题。平居研究员的研究小组今后将利用理化学研究所的超级计算机“富岳”与昴星团望远镜进行模拟与观测，挑战解开138亿年的银河系形成史之谜。

【用语解释】

(注1)昴星团望远镜:国立天文台在夏威夷毛纳基亚山顶使用的口径8.2米的光学红外线望远镜。本研究使用了搭载在昴星团望远镜上的高色散光谱仪(High Dispersion Spectrograph, HDS)观测到的恒星光谱数据。

(注2)Gaia:欧洲空间局使用的位置天文观测器。这是一种利用可见光波段进行观测，根据三角测量原理测量10亿颗以上银河恒星的位置和速度的观测仪器。测量精度约为10微秒角(1度的1/60的1/60的1/10万个角度)，例如从地球可以数出月球表面的1日元硬币的精度。

(注3)暗物质:用来解释星系性质的假说物质。一般认为它与普通物质除了重力上的相互作用以外几乎不发生其他作用。

关于本研究中使用的超级计算机

本研究小组进行的模拟实验,使用了国立天文台的超级计算机“ATERUI II”。理论运算性能为3.087 petaflops (1 peta是10的15次方，frops是表示计算机1秒钟能处理的运算次数的单位)，是世界上最快的天文学数值计算专用机器。设置在岩手县奥州市的国立天文台水泽校区，仿照活跃在平安时代的当地英雄「阿弖流爲」而命名。包含着“勇猛果敢地挑战宇宙之谜”的愿望。

(作者:日本国立天文台)

【论文】

标题：Origin of highly r-process-enhanced stars in a cosmological zoom-in simulation of a Milky Way-like galaxy
作者：Yutaka Hirai, Timothy C. Beers, Masashi Chiba, Wako Aoki, Derek Shank, Takayuki R. Saitoh, Takashi Okamoto, Junichiro Makino
刊登杂志：Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
DOI：10.1093/mnras/stac2489

2022年11月14日(英国时间)，该研究成果在线公开发表于英国学术杂志《皇家天文学会》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)上

责任编辑：王雨阳

牧夫新媒体编辑部

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坐落于美国夏威夷的日本国立天文台望远镜-昴星团望远镜

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