利用TNG望远镜揭示银河系年轻星族磷元素丰度演化规律

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：Stellar population astrophysics (SPA) with the TNG. The Phosphorus abundance on the young side of Milky Way

本研究针对磷元素化学演化观测数据匮乏的问题，利用GIANO-B高分辨率近红外光谱对24个疏散星团的82颗巨星和20颗造父变星开展磷丰度测量。研究发现[P/Fe]在太阳金属丰度附近随[Fe/H]增加而下降，并首次揭示年龄大于10亿年的星团存在[P/Fe]-年龄正相关，年轻星团则呈现平坦趋势。该成果为理解银河系薄盘化学演化提供了关键观测约束，发表于《皇家天文学会月刊》。

　　

在银河系化学演化的拼图中，磷（P）始终是一块神秘缺失的碎片。这种在生命起源中扮演关键角色的元素，其宇宙演化历史却因观测挑战而长期笼罩在谜团中。磷的谱线主要分布在紫外和红外波段，而紫外观测易受星际消光影响，使得近红外成为研究磷丰度的主战场。更复杂的是，当前银河化学演化（GCE）模型预测磷主要产生于大质量恒星，但观测数据却显示出与理论相悖的趋势，例如[P/Mg]比值的变化挑战了磷主要来自核心坍缩超新星（CCSN）的传统认知。

为了解开这些谜团，由简明杰（Mingjie Jian）领导的国际团队利用意大利国家伽利略望远镜（TNG）的GIANO-B摄谱仪，开展了一项名为“恒星种群天体物理（SPA）”的大型观测计划。研究人员对24个疏散星团中的82颗巨星和20颗造父变星进行了高分辨率近红外光谱分析，首次系统测量了这些天体的磷丰度，并将结果发表于《皇家天文学会月刊》。

研究团队开发了一套创新的光谱分析流程。他们使用GOFIO数据缩减管道对GIANO-B光谱进行预处理，采用“alpha-roll”方法进行连续谱归一化，并利用TelFit包校正大气吸收。恒星参数（有效温度T_eff、表面重力log g、金属丰度[Fe/H]和微湍流速度V_mic）来自HARPS-N光学光谱的独立测定。通过PySME代码进行光谱合成，从VALD3数据库提取线列表，基于MARCS模型大气，采用局部热动平衡（LTE）假设。团队建立了严格的谱线选择标准，要求特征主导度大于0.4、特征深度大于0.006、大气吸收深度小于0.1，最终筛选出11条适用于巨星和26条适用于造父变星的P I线。

磷丰度测量结果

对标准星的测量验证了方法的可靠性，太阳光谱测得磷丰度A(P)=5.46，与Scott等人结果一致。样本星的[P/Fe]-[Fe/H]分布显示，在[Fe/H]=-0.1至+0.15范围内，[P/Fe]从约0.3下降至0，与Nandakumar等人研究相符。特别值得注意的是年龄-磷丰度关系呈现出独特的“V形”结构：年龄大于10亿年的星团显示A(P)和[P/Fe]随年龄增加而上升，而年轻星团和造父变星则呈现平坦趋势。

化学演化规律解析

对年老星团（>1 Gyr）而言，磷丰度随年龄增加的现象揭示了银河系早期剧烈的恒星形成历史。像M67这样的40亿年老星团，其太阳金属丰度在早期快速达到，表明母气体云经历了强烈而快速的化学富集过程，产生了大量磷元素。相比之下，10亿年历史的NGC 752星团达到相似金属丰度的速度较慢，对应着相对温和的恒星形成活动。

年轻天体（<1 Gyr）的平坦趋势则反映了近期局域化学演化的特征。单星族模型显示，在接近太阳金属丰度（iniZ=0.01）时，低质量恒星（如AGB星）对磷产生的贡献比金属贫乏环境高一个量级，这可能是年轻星团中观测到轻微磷富集的原因。

空间分布特征

研究还发现磷丰度与星团当前空间位置无显著相关性，这支持了银河系薄盘中径向迁移和垂直加热等动力学过程对天体空间分布的重要影响，表明当前位置不能直接反映形成环境的化学组成。

这项研究通过精确测定疏散星团和造父变星的磷丰度，首次揭示了银河系薄盘磷元素演化的双重路径：年老星团记录了早期剧烈恒星形成历史导致的快速磷富集，而年轻天体则展现了近期局域环境中低质量恒星对磷元素的温和贡献。该成果不仅为理解磷元素的核合成起源提供了关键观测约束，也展示了结合星团年龄与化学丰度在解析银河系组装历史中的强大潜力。未来对更多年轻星团的观测将进一步完善我们对银河系最近化学演化图景的认识。