“变星”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

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来源：DeepTech深科技

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陈孝钿，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。

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。

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。

此次发表的论文，只是一系列工作的开端。陈孝钿表示：“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，陈孝钿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。

读博期间收到诺奖得主邮件

另据悉，陈孝钿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。”陈孝钿表示。

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（Adam Riess）的邮件。

亚当·里斯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。这次发邮件是想向陈孝钿寻求三个含有造父变星的星团数据。

陈孝钿说：“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，亚当·里斯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。

这件事也让陈孝钿深刻体会到，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。

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

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