中国科学院团队打造新型“量天尺”，实现星系之间的批量高精度测距，或能催生本星系群三维图像

为测量星系之间的距离，他造了一把“量天尺”。中国科学院国家天文台研究员，是这把“尺子”的主要发明人。

所谓“尺子”，是指他和所在团队建立了一种针对天琴座 RR 型变星的测距方法，借此成功绕开金属丰度这一主要障碍，让上百个星系或矮星系的高精度测距成为可能。

图 | 陈孝钿（来源：）

这把“尺子”可以消除了金属丰度的依赖性，从而能够获得简洁的测距方法。

“尺子”的最大创新之处，在于仅使用斯隆数字巡天和郭守敬望远镜的低分辨率光谱，就能建立这种测量星星距离的方法。

在测量近邻星系的高精度距离上，本次“尺子”具备较强的应用，它让批量测量星系的高精度距离成为可能。此前，测量距离误差小于 2% 的星系或矮星系不到 5 个，而利用这把“尺子”则能将样本增至 12 个。

预计未来两三年内，这一数字会增加到 100，相比之前将能增加 20 倍。

毫无疑问，本次成果将推动大型望远镜对于双周期天琴座 RR 型变星的观测。后续将有希望发现上万颗同类型的恒星，这让人类可以更好地了解银河系和近邻星系的形态，以及它们之间的黑暗物质的性质。

（来源：Nature Astronomy）

为星星“画尺子”的人

遥远恒星测距的历史起源于大约 100 年前，当时美国天文学家亨丽爱塔·勒维特（Henrietta Leavitt）发现，造父变星的周期和光度之间存在线性关系。

恒星的光度展示了恒星发光的能力，就像灯泡的功率一样，光度越大的恒星发光越多。如果在同一个距离处去看不同的恒星，那么光度越大的恒星也会显得越亮。

反之，如果在不同距离看同一颗恒星，距离越近恒星会显得越亮。因此，只要获悉恒星的光度，就能借助和所看到的亮度加以对比，从而计算出恒星的距离。

但是，绝大多数恒星的光度是无法准确测量的，只有少数恒星的光度可以得到准确测量，这种光度被天文学家称为“距离量天尺”或“标准烛光”。其中，造父变星和天琴座 RR 型变星，是两种典型的“量天尺”。

造父变星是一类年轻的恒星，质量比太阳重 4-20 倍；天琴座 RR 型变星则是一类非常年老的恒星，质量比太阳更轻。

这两种变星的光度，都会随时间发生周期性的变化，这一周期可以被准确地测量，故能计算它们的光度以及和地球之间的距离。

（来源：Nature Astronomy）

然而，随着天文测距的发展，人们发现要想得到更高精度的距离，必须对这些量天尺作出一项修正，即金属丰度修正。

也就是说，量天尺变星的光度不仅和周期有关，还和金属丰度有关。在测量金属丰度时，需要将恒星的光分成光谱，这意味着只有少量的恒星拥有金属丰度的信息。

对于利用天琴座 RR 型变星测量星系距离来说，这会带来非常大的制约。因为，只有银河系之外的少量天琴座 RR 型变星可以被测量金属丰度。

为此，开展了本次研究。事实上，此次成果也是他在北大读博期间的主要成果。博士期间，他的研究课题是疏散星团（密度不高的恒星集合）中的变星。

尽管这是一个相对传统的课题，但在经过几年调研之后，他决定将自己对于恒星物理的理解用于天文高精度测距。

万事开头难，研究伊始他便遇到缺少全天时域大数据这一问题。2018 年前后，大量天文数据公开释放，这让他得以拥有开展天文高精度测距的机会。

于是，他和所在团队搜寻了这些公开数据中的周期变星，借此发布第一全天的红外变星星表和北天最大的变星星表。当时，在已知的变星之中，他们新发现的变星已能占据总量的三分之一。

随后，课题组开始在这些变星之中“挖宝”。2019 年，利用 1000 多颗造父变星他们首次刻画了银河系恒星盘三维直观图，银河系婀娜多姿的 S 型得以呈现在世人面前。

后来，他们又将目光聚焦在天琴座 RR 型变星上，原因在于它们的数量比造父变星更多。

2022 年，基于前期的积累指导北大本科生张健星完成了本科毕业论文，题目便是《大数据搜寻双周期天琴座 RR 型变星》。

在张健星完成毕业论文之后，和前者一起尝试结合光谱数据开展新的探索，结果他们意外地发现这些恒星的两个周期与金属丰度之间有着很好的线性关系。

“这个发现让我感到非常兴奋，基于这一发现我们建立了双周期天琴座 RR 型变星的测距方法。然后，我们用一个月左右完成了基于多种手段的测试和检验，最终确定此次方法是可靠的。”说。

对于这类特殊的天琴座 RR 型变星来说，它同时存在两个周期，因此这种星星也被称为双周期天琴座 RR 型变星。

研究中，他们获得了关于上述星星的最大样本。通过斯隆数字巡天和郭守敬望远镜的金属丰度他们发现：双周期天琴座 RR 型变星的两个周期与金属丰度存在线性关系。

这说明针对此前难以测量的金属丰度，可以使用容易测量的两个周期代替，借此可以得到双周期天琴座 RR 型变星的周期和光度之间的关系，从而能够建立双周期天琴座 RR 型变星的量天尺。

研究到这里，算是告一段落。他们将其整理为论文，并以《使用天琴座 RR 双模恒星作为稳健的距离和金属丰度指标》（）为题发在 Nature Astronomy 上（IF 14.1），是第一作者兼通讯 [1]，张健星是共同一作。

图 | 相关论文（来源：Nature Astronomy）

此次发表的论文，只是一系列工作的开端。表示：“在这篇论文中我们主要是提出了一种方法，接下来还会用 2-3 篇论文介绍基于这种方法的应用。”

目前，他和同事结合哈勃空间望远镜的历史档案数据，大大优化了 12 个矮星系到地球的距离。

接下来几年，随着中国空间站巡天望远镜的升空，他将有机会得到上万颗变星的量天尺，预计可以涵盖近百个星系或矮星系，这意味着上述星系之间的距离有望得到优化。

届时，一张针对本星系群的直观三维图或将面世，其将囊括银河系和仙女星系等相邻星系的集合。

基于优化之后的星系距离，就能搭建一个距离阶梯，从而更好地了解宇宙深处的奥秘。

而在最近 5 年，最大的目标是希望得到一个高精度哈勃常数，并能通过多种手段对其进行交叉验证，力图解决当前的哈勃常数危机。

（来源：Nature Astronomy）

读博期间收到诺奖得主邮件

另据悉，本科毕业于北京师范大学天文系。国内不少天文学家的研究脚踪，都起源于北师大。

他表示：“北师大天文系带领我迈入了天文研究的大门。在大学之前，我对于天文的理解仅限于肉眼看星星和看天象。”

进入北师大天文系之后，他意识到天文是一个基于数学和物理的研究学科，其远比表观现象要更加深奥。

北师大天文系是一个独立学院。“那时，系里只有五六十位本科生，是全校最小的院系。但这也让天文系的每一位学生都能得到全方位的培养。在学科上，北师大的天文课程非常齐全，尤其在观测天文学上非常有特色，这对我如今的科研工作带来了潜移默化的影响。”表示。

2011 年，他来到北大攻读博士。在博士期间的第一篇论文发表之后，他意外收到了 2011 年诺奖得主亚当·里斯（）的邮件。

在邮件里介绍完自己之后，表示他之前主要研究宇宙学，现在则聚焦于研究造父变星。这次发邮件是想向寻求三个含有造父变星的星团数据。

说：“这封邮件让我感到非常诧异，也影响了我的研究轨迹。宇宙学是当时天文领域最火的研究方向之一，而造父变星却是一个有着几百年历史的传统课题。”

这让他颇感诧异，为什么诺奖得主会把研究精力集中到恒星上？对于这一问题他曾思考数年之久，后来逐渐理解了个中缘由。

原因在于，的目标是想得到一个最准确的哈勃常数（宇宙学中的关键参数）。而解决这一问题的关键，就在造父变星这种恒星上。

这件事也让深刻体会到，天文学研究的逻辑是先提出问题，通过分析来寻找证据进而解决问题。

寻找证据，可能只是一个传统课题。但是，却能解决最前沿的问题。

十几年前的这一体会，也在他如今的论文中得到印证。尽管此次发表在 Nature 子刊的论文解决了一个前沿问题，但所采取的却是传统手段。这也充分说明善用已有方法，也能帮助人类发现前沿的成果。

参考资料：

1.Chen, X., Zhang, J., Wang, S.et al. The use of double-mode RR Lyrae stars as robust distance and metallicity indicators. Nat Astron (2023). https://doi.org/10.1038/s41550-023-02011-y

排版：罗以