天文學(xué)家建立星系批量高精度測(cè)距方法

6月20日，《自然-天文》在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)副研究員陳孝鈿領(lǐng)銜完成的一項(xiàng)重要成果。該研究發(fā)現(xiàn)雙周期的天琴座rr型變星是最好的標(biāo)準(zhǔn)燭光，利用它的兩個(gè)周期來(lái)測(cè)量星系距離不再需要元素豐度的信息，這使得星系批量高精度測(cè)距得以實(shí)現(xiàn)。

一百年前，美國(guó)天文學(xué)家愛(ài)德文·哈勃測(cè)量了第一個(gè)河外星系仙女座大星云的距離，從而確定了河外星系的存在，開(kāi)創(chuàng)了星系天文學(xué)的研究。隨著技術(shù)的發(fā)展，天文學(xué)家已能測(cè)量數(shù)百億光年之外的遙遠(yuǎn)星系的距離，并了解到銀河系只是浩瀚宇宙中的一粒星塵。當(dāng)前，天文學(xué)家關(guān)注的是如何更準(zhǔn)確地獲得一顆恒星、一個(gè)星系、甚至整個(gè)宇宙的距離。

當(dāng)我們仰望星空，星星如此遙遠(yuǎn)。測(cè)量它們的距離通常需要使用量天尺即標(biāo)準(zhǔn)燭光。標(biāo)準(zhǔn)燭光如同一盞已知功率的燈，它的內(nèi)在亮度是一致的。當(dāng)我們離它越遠(yuǎn)，就會(huì)感覺(jué)它越暗。研究觀測(cè)到標(biāo)準(zhǔn)燭光的亮度隨距離的平方降低(圖1)。恒星中有兩種常用的標(biāo)準(zhǔn)燭光——年輕(千萬(wàn)年)的造父變星和年老(百億年)的天琴座rr型變星。它們的內(nèi)在亮度分別是太陽(yáng)的上萬(wàn)倍和一百倍。

如何得到這兩類(lèi)恒星的內(nèi)在亮度?這類(lèi)恒星的亮度是隨時(shí)間周期性變化的，且周期與內(nèi)在亮度之間存在線性的周光關(guān)系。利用周光關(guān)系，我們可以得到這兩類(lèi)恒星的內(nèi)在亮度，進(jìn)一步通過(guò)內(nèi)在亮度與觀測(cè)亮度的比較計(jì)算出距離。

使用這種方法可以得到一個(gè)誤差為5-10%的天體距離，但如果想得到更準(zhǔn)的距離，則需要判斷標(biāo)準(zhǔn)燭光是否足夠標(biāo)準(zhǔn)。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，恒星的內(nèi)在亮度受到元素豐度的影響，也就是說(shuō)，擁有不同重元素的恒星具有不同的內(nèi)在亮度。

因此，當(dāng)我們想繼續(xù)減小天體距離的誤差時(shí)，就需要測(cè)量這些標(biāo)準(zhǔn)燭光的元素豐度。元素豐度的測(cè)量成本較高，且依靠光譜測(cè)量。我國(guó)的郭守敬望遠(yuǎn)鏡已獲得了數(shù)千萬(wàn)條光譜，是世界上最大的光譜庫(kù)之一。然而，有光譜測(cè)量的天體仍然只是冰山一角。目前只有不到5個(gè)河外天體的距離誤差小于2%。

陳孝鈿團(tuán)隊(duì)利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡等的數(shù)據(jù)，首次發(fā)現(xiàn)了雙周期天琴座rr型變星的多個(gè)周期與金屬豐度之間的線性關(guān)系，進(jìn)而建立了雙周期天琴座rr型變星的周光關(guān)系。基于該周光關(guān)系，星系的距離誤差可以?xún)?yōu)化到1-2%。

我國(guó)空間站巡天望遠(yuǎn)鏡將在未來(lái)兩年內(nèi)升空，將能發(fā)現(xiàn)近百個(gè)近鄰星系中的雙周期天琴座rr型變星。利用該研究提出的方法，高距離精度的星系樣本將擴(kuò)大約20倍。屆時(shí)，我們有望看到一張精細(xì)的本星系群的三維直觀圖像(圖2)，并能得到一個(gè)誤差在1%的哈勃常數(shù)。