《通过恒星丰度探索银河系化学演化的研究》

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该项目名称为通过恒星丰度探索银河系化学演化的研究,属基础科学研究领域。星系是构成宇宙的基本单元,研究星系特别是银河系的演化是现代天体物理学重要前沿领域之一。近年来,申请者在如何提高元素丰度分析的精度和不同光谱类型恒星的系统分析方面取得了许多重要的研究进展。主要的发现点有:1.完成不同星族恒星的大样本高分辨率光谱观测和化学丰度的系统性定量分析。发现了年老而又富金属、运动学参数异常和低[α/Fe]比率等三类性质异常的恒星,表明银河系演化中存在更为复杂的一些物理过程。2.首次给出中性氢原子碰撞对谱线影响的正确公式。考虑了某些元素的超精细结构分裂效应和非局部热动平衡效应,显著地提高了元素丰度的确定精度。3. 将丰度分析方法运用于太阳系外行星系统候选体的观测研究。首次发现有行星系统的恒星可以存在于厚盘星族。新的观测结果为高金属丰度有利于行星形成的假说提供强有力的观测支持。该项目以大量高质量光谱观测为基础,采用创新的方法,分析各类恒星的化学丰度及演化趋势,使得课题组的分析精度(0.04dex)超过了国际同类研究(0.10dex),因而成为构建银河系化学演化理论模型的重要依据。这些工作主要基于中国最大的2.16米望远镜和世界先进观测设备获得的高分辨率光谱数据,共发表SCI论文103篇,被SCI论文引用1194篇次,他人引用947篇次(检索报告见附件)。其中63篇论文发表在“A&A”、“ApJ”、“MNRAS”和“AJ”等四大国际著名天文学期刊(影响因子分别达到4.223、6.308、5.352和5.377)。课题组的研究成果曾先后被国际天文界最具权威的“天文与天体物理年评”(每年仅发表一期约十几篇综述;影响因子18.567)的十篇综述引用。其中关于大样本的系统性研究结果已成为该领域的经典工作而被写入教科书和专著。由15位著名学者联合撰写的“恒星中元素合成的四十年进展”综述文章(Rev.Mod.Phys.69,995;影响因子30.254)也引用了课题组的两篇论文。该项目的核心发现点为:1、通过银河系恒星的高分辨率、高信噪比光谱观测,系统地给出大样本高精度的银河系三个不同星族(晕、厚盘和薄盘)矮星的化学元素丰度,深入描绘银河系不同星族的总体演化图象。这一结果为建立合理的超新星核合成模型和星系化学演化模型提供了必不可少的观测约束。高精确度的数据使得课题组得以发现年老而又富金属、运动学参数异常和低[α/Fe]比率等三类性质异常的恒星,表明银河系的演化不仅仅是从晕到盘的单调塌缩过程,期间还伴随与近邻星系的并合、银核的三轴结构引起的轨道扩散,以及银河系局域不均匀的化学演化等复杂的过程。这些新发现对传统的星系化学演化理论框架提出了挑战。通过对1300颗恒星的运动学参数与金属丰度的相关分析,得出金属丰度存在梯度,而且银盘法向梯度明显大于径向梯度。结果支持银河系晕族恒星先于盘族恒星、厚盘恒星先于薄盘恒星形成的化学演化模型。其它重要的发现点为:2、通过非局部热动平衡(NLTE)效应计算,显著地提高了元素丰度的准确度。在构造合理完备的镁原子模型基础上通过拟合从光学到红外波段的中性镁谱线轮廓修正了Drawin(1969)的近似公式,首次给出中性氢原子碰撞对谱线影响的正确公式。指出具体定量结果与所分析恒星光谱型及化学组成有关,并将NLTE效应的修正整理成易用的表格,使其具有实用性。这一公式在其他研究者对Na、Al、Ca、Si和Ba等元素NLTE效应分析中所采用,并由此给出了这些元素可靠的NLTE修正量,表明此公式适用于所有与中性氢碰撞的原子谱线计算。特别地,通过NLTE计算课题组发现重元素(如Ba)丰度随金属丰度减少,r-过程核合成贡献有增加的趋势。这为r/s-过程论争的解决提供了可靠的观测证据。3、将丰度分析方法运用于太阳系外行星系统候选体的观测研究。通过利用超精细结构分裂效应的分析技术确定具有行星系统恒星的金属丰度分布,比较18种元素丰度在具有行星系统恒星与普通恒星中的差异,以及研究元素丰度与浓缩温度之间的关系并从多方面论证了高金属丰度是原初的,不是吸积行星物质造成的。这些结果支持高金属丰度有利于行星形成的假说。首次发现厚盘星族也存在有行星系统的恒星。从光谱分析判断HD190228的伴星应为褐矮星,而非以前工作认为的行星。

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