荣耀CWNU!浩瀚星空首次刻上中国高校名字

2022-05-06 11:13:37来源:四川在线编辑:王青山

邓静 四川在线记者 江芸涵

5月4日,在国际主流天文期刊《天体物理学报增刊》上,“CWNU星团表”正式发表公布,这是国际上首次以中国高校及科研院所名字命名编号大样本的天体星表。

西华师范大学物理与天文学院何治宏博士与中科院上海天文台研究人员合作,利用欧洲航天局Gaia天体测量卫星观测数据发现了541个疏散星团,全部星团以“CWNU”(西华师范大学英文名称的字母缩写)进行命名(编号:CWNU 1号至CWNU 541号),为西华师大在国际星团研究领域书写了亮丽一笔。

论文中说明CWNU命名来历。

5月5日晚,西华师范大学对外发布了这一重要科研成果。川观新闻记者第一时间独家采访了西华师大物理与天文学院院长蒋青权教授,论文第一作者兼通讯作者何治宏博士,以及银河系特殊恒星和星族团队负责人罗杨平教授,详细了解 “CWNU星团表”发现的过程和意义,以及以“CWNU”命名新星团的原因。

研究星团就如同考古一样认识银河的形成历史

记者:请介绍下你们研究的星团是什么,跟星云有什么区别?为什么要研究疏散星团呢?

罗杨平:如果把银河比作一位母亲,那么恒星就是她的孩子,而星云就是银河母亲的“子宫”。那星团呢?星团是一群恒星的聚集体,这些恒星好比是具有相似的基因与年龄的兄弟姐妹,它们都是由同一块大的星云塌缩并同时孕育出来的多胞胎恒星,通过彼此间的引力作用束缚在一起。这些恒星出生时的最大差异就是体重不一样,体重不一样就决定了它们的寿命不一样,重的恒星寿命短,而轻的寿命长。在同一个星团中将看到不同特征的恒星,体重轻的发出暗弱的红光,中等体重的像太阳一样,而最重的那些恒星有着耀眼的蓝色光芒。

何治宏在紫金山天文台青海德令哈观测站拍摄的银河。

天文学家将整个星团的恒星排列在颜色和亮度平面图(天文学家称的“赫罗图”)中,并与计算模拟的不同年龄星团“赫罗图”进行直接比较,就可以得出星团的年龄。恒星离我们太遥远,我们不可能像探月一样发射探测器去挖矿石回到地球测量它们的年龄。测量天体的年龄成为天文学上的一个挑战,而星团刚好为天文学家开了一扇测量天体年龄的窗口。天体年龄是天文学中一个非常重要的基本参数,比如我们测量太阳的目前寿命是46亿年,天文学家根据恒星演化理论会告诉我们地球还能生存50亿年。

疏散星团是对银河系结构与演化进行示踪的重要天体。根据星团的居住地,可以分为疏散星团和球状星团,其中前者分布在银河系的银道面上,年龄相对年轻(大多数小于十亿年),具有较高的金属丰度(金属丰度主要指比氦更重的元素与氢元素的比例);而球状星团分布在银河系的银晕(银河系外围)与核球(银河系中心附近)之中,年龄超过一百亿年,金属丰度较低。由于我们可以测量出疏散星团年龄,而疏散星团主要出生在银河之中(银河系盘),不同年龄的星团代表不同时期银河系盘形成的历史遗迹,天文学家研究不同年龄星团就如同考古一样认识整个银河系盘的形成历史。

一次次改进算法,在数据海洋中去找寻星团

记者:你们是怎么发现这些新星团的呢?我们可以通过望远镜找寻和观测一些星星,那疏散星团是依靠什么来找到呢?

何治宏:“CWNU星团表”中比较近且比较亮的星团,或许可以用肉眼看到,但是这些新星团都是在恒星相对密集的区域发现的,所以要辨认出星团的成员星还要借助于望远镜。

而发现这些星团,就不是通过普通望远镜能够实现的了,我们主要是利用了欧洲航天局“Gaia”(盖亚)卫星的观测数据。这颗卫星对天空中超过15亿颗恒星进行了长达数年的观测,获得了这些恒星的视差和自行信息,这两个信息分别对应了恒星的距离和相对运动速度。我们知道,星团中的成员星比单个的流浪恒星(又称“场星”)之间联系得更紧密,所以,通过一种“无监督机器学习”的聚类算法,研究人员把位置和运动空间中密度最高的恒星集群挑了出来,由此发现了新的星团。

记者:发现新星团的过程中,你们面临什么样的难题?又是怎么解决的呢?

何治宏:我们面临的最大的难题是,Gaia卫星拥有十多亿颗恒星的天体测量数据,海量的数据需要强大的计算设备和高效的算法。比如,在大量的数据中剔除场星,找到可能的星团,同时需要对每个星团与理论计算进行对比,才能给出星团的物理特性。而面对浩瀚的数据海洋,怎么开始做是第一个难题。

何治宏在工作。

过去,星团搜寻的方法有许多,我尝试了过去文献记载的不同的搜寻方法,并受到上海天文台一位老师的启发,选择了一种被叫做“DBSCAN”的聚类算法来进行星团搜寻,而这个算法的关键在于聚类参数如何获取。我参考了一篇欧洲研究团队于2018年发表的关于利用DBSCAN算法进行星团搜寻的研究文献,重复了他们的搜寻步骤,在此基础上,经过一系列的尝试后,独立创制了一套新的参数计算方法和搜寻方式,并且设计了一套星团物理量拟合运算流程。该流程被逐渐证实是一种高效的星团物理参数计算方式,目前也用在了多个星团研究工作之中。

同时,为了将方法用于实际的星团搜寻与物理量计算,我又编写了整套计算代码,并使用了北京云超算的计算设备解决了硬件需求,最终发现了首批约1000个新星团候选体。其中,有74个新星团于去年发表出来,并获得了国际国内同领域研究人员的认可。随后,上海天文台的合作者们利用新的算法对新发现的星团进行了验证,重新获得了500余个新星团准确的成员星信息,并经过交叉验证得到了最终的结果,增加了这些星团的可信度。

该领域前人的研究积累,以及对于算法的改进创新和团队合作是首批星团样本被发现出来的关键原因。最不容易的事在于,每一个过程对于我而言都是新的,很多时候面临“无从下手”和失败的局面,因此整个过程从无到有,我经历了不断的尝试,前后花了约两年的时间进行各个环节的摸索和实践。科学研究是一件严肃的事情,每一个发现和创新都需要脚踏实地,经过仔细的验证后方能发表,因此花费的时间较长。

每天看到的“I love CWNU”标语触发命名的灵感

记者:星团命名的规则是什么?为什么要把此次发现的疏散星团命名为“CWNU星团表”?

罗杨平:对于每一个新星团来说,需要有一个特定的编号来将它与别的天体区分开来。根据国际惯例,星团的发现者或使用者需要对星团进行命名编号,并且一般按照首次编号沿用下去,以免造成混淆。比如“UBC(巴塞罗那大学)星团表”系列,到目前为止已编录了1200余个新星团。但这与通常发现一颗小行星的命名是不一样的,小行星的名字是特定的,发现者具有提名权,并获得国际公认,一般作为一种高尚的社会荣誉,奖励给对社会有重大贡献或重大影响力的人物或机构,是永久保留并不可更改的。“CWNU星团表”更多是一种科学研究上的惯例,当然,发现者也可以用其他名字来为它们命名,比如按照过去的惯例,有用发现者的姓名命名的,也有只给出一个数字编号的。而对于“CWNU星团表”中的疏散星团来说,这些星团的质量较好,数量也很大,为了以后研究方便,需要进行特定的命名编号。

西华师范大学迎曦湖。

何治宏:用“CWNU”命名星团是因为我每天经过西华师大新校区迎曦湖畔,湖畔有“I love CWNU(我爱西华师大)”的标语而触发的灵感。我喜欢这所我工作的学校,也喜欢这里的天文研究团队和科研氛围。同时,这样的命名沿用了目前规模最大的“UBC(巴塞罗那大学)星团表”的命名方式,与此相同的还有国际上其他一些大学的名字,比如“UFMG(米纳斯吉拉斯联邦大学)星团表”等,而在中国,这是第一次,也算是一种天文学研究人员的浪漫与情怀吧!

新星团样本的成功发表仅仅是一个开始

记者:近几年,西华师范大学在天文学领域已经创造了不少突出的科研成果,此次发现新星团又是一次重大突破,未来是否还将继续搜寻新星团?

蒋青权:西华师大物理与天文学院的天文系,是川渝唯一拥有天文学本科、硕士贯通人才培养单位,旨在为天文大科学装置落地四川提供人才和技术储备。天文研究团队主要集中在致密天体、黑洞、银河系结构、星系宇宙学、银河系特殊恒星及其星族、疏散星团、系外行星、天文台址选址等领域,开展前沿课题研究。近年来,在包括《自然》、《自然天文学》在内的国际顶尖期刊发表论文100余篇,2项成果入选2021年度《科技日报》中国太空探测十大重要进展,3项成果入选中国科学院重大设施平台亮点工作。

我们天文系科研人员一直致力于疏散星团的搜寻,并通过疏散星团研究银河系结构。去年,李静副研究员带领天文系本科学生就找到了数个新的星团,而本次大规模的新样本的发布,更是为星团研究助了一臂之力。目前,国际上最大的UBC(巴塞罗那大学)疏散星团样本包含了1200余个新疏散星团,在国内,许多大学和天文台的科研人员也在致力于搜寻疏散星团,首批以我校名字命名的CWNU新星团样本规模处于国际前列。

对于疏散星团研究来说,新星团的发现仅仅是第一步,也是很重要的一步。研究人员需要利用丰富且物理性质准确的星团样本进行科学研究,比如对银河系结构、运行学与化学演化进行示踪刻画。因此,科研人员还需要对众多新星团候选体进行整理、物理性质计算。目前,西华师大星团的科学研究正处在起步阶段,但也在国际星团研究领域上刻上了西华师大的烙印,新星团样本的成功发表仅仅是一个开始。

记者:“CWNU星团表”首批公布了541个新星团,是不是已经在准备公布第二批?下一步的研究方向是什么?

何治宏:是的。对于从事天文科研的研究人员来说,更多的星团样本为可能的新发现创造了更多机会。事实上,我们用到的方法也是在前人的方法基础上进行的改进,包括这次星团发现在内。最近几年的星团样本有了革命性的改变——这一切都是由于“Gaia”天体测量卫星带来了海量的恒星数据。通过包括本次发现在内的疏散星团搜寻工作可知,利用DBSCAN方法,可以很高效地处理Gaia的海量天体测量数据,这些新方法带来的成功经验将受到更多关注。

何治宏与学生讨论论文。

我们也将继续寻找新的星团,扩大星团家族的成员数目。同时,我们将会针对新星团进行科学研究,瞄准的课题是银河系的结构与演化。大样本的疏散星团包含了丰富的物理信息,通过星团可以示踪银河系银盘的演化历史。我在博士期间的导师是银河系旋臂研究领域的专家,一直致力于用多种天体研究银河系旋臂演化,因此我寻找大量星团的样本的初衷也是受到导师的指引,为了利用这种有趣的天体研究银河系,这是对我们认识宇宙,认识人类所处的位置所做的又一次尝试。

(图片由受访者提供)

    编辑推荐