摘要：作为 20 世纪天文学的两大基础理论之一，恒星结构与演化理论是人类认识研究银河系以及深入了解宇宙演化的基础。21 世纪的第一个 10 年，随着一批重要的地面和空间天文观测设备投入使用，大样本高精度的恒星及相关天体的测光和光谱数据使恒星物理的研究进入了一个新的高

本期导读

作为 20 世纪天文学的两大基础理论之一，恒星结构与演化理论是人类认识研究银河系以及深入了解宇宙演化的基础。21 世纪的第一个 10 年，随着一批重要的地面和空间天文观测设备投入使用，大样本高精度的恒星及相关天体的测光和光谱数据使恒星物理的研究进入了一个新的高潮，在相关领域均取得重要进展：①对恒星与行星系统的形成过程的认识逐渐加深；②通过星震学大批量窥探恒星内部结构，约束恒星演化的物理过程；③双星演化关键过程的研究取得阶段性进展；④对恒星晚期灾变爆发现象和物理过程的认识逐渐深入；⑤引力波天文打开了恒星致密天体形成和演化研究的新窗口；⑥能够描绘银河系的复杂结构，其演化历史得以逐步揭开。未来 10 年，恒星（含双星）的形成、演化及灾变爆发物理过程以及相关致密天体的研究仍将持续深入，诸多疑难问题需要进一步澄清。多波段大天区银河系巡天项目的开展，使银河系的结构、形成与演化研究成为热门研究领域，并持续处于天体物理学前沿。

星际介质及恒星形成

星际介质

广袤的星际空间充满着由气体、尘埃、辐射场、磁场及宇宙线组成的星际介质。星际介质是恒星形成的主要物质来源，也是宇宙物质循环的载体。星际中性氢原子精细结构谱线（ HI-21 cm）的探测是人类认识星际气体、探究宇宙物质演化的里程碑（ Ewen and Purcell， 1951）。对银河系自身旋臂结构及其他动力学过程的认识主要依赖 HI-21 cm 谱线成图观测。国际上，大天区中性氢巡天的代表是莱顿 / 温格鲁 - 阿根廷 - 波恩（Leiden/DwingelooArgentina-Bonn， LAB）巡天，是迄今最好的、带有绝对定标的中性氢巡天。中性氢巡天每隔10～20年会得到全面升级，具有更高空间分辨率、速度覆盖、动态范围和成图质量。不断升级的中性氢巡天揭示银河系中性气体具有丰富的结构，包括标高约为 360 pc 的气体盘以及与超新星爆炸有关的气泡等。

中性气体

随着各种天文设备的发展，人们逐渐认识到除了中性气体以外，整个宇宙空间中的星际气体还以各种分子物质的形态存在，从而催生了一门新的天文学分支学科—天体化学。星际分子的探测和研究可在射电、红外和光学等波段进行。例如，光学观测发现了太阳系行星甲烷丰度随季节的变化；空间红外设备探测到了简单氢化物；红外波段光谱观测发现了来自脂肪族、芳香族的碳氢化合物和富勒烯等特征振动谱带；毫米 / 亚毫米望远镜探测到大量有机分子，促进了太阳系外有机物质的搜寻和化学研究（ Herbst and van Dishoeck， 2009）。各种分子谱线可用来研究宇宙不同尺度恒星形成的物理和化学特征。有些星际分子会产生极端非热辐射现象—天体脉泽，它是示踪小尺度、高密度极端天文环境的有效探针。

分子云

分子云是银河系冷气体的主要存在形式。从分子云到恒星形成的研究分为宏观性质研究和微观性质研究：前者主要研究分子云的内部结构和演化，以及影响巨分子云恒星形成率的物理机制和规律，关注的是星际介质中与恒星形成直接相关的气体比例、分布、物理条件，以及这些因素如何影响星团乃至星系尺度上的恒星形成特性；后者主要研究单个恒星或双星、多星系统的形成，具体关注不同质量恒星如何获得物质增长、从气体到恒星的过程中角动量和磁通量如何耗散、原恒星吸积盘以及喷流和外向流的结构和演化等问题（ McKee and Ostriker， 2007）。自 20 世纪 70 年代以来，银河系分子云巡天从单波束、单谱线发展到多波束、多谱线，从分子谱线发展到尘埃连续谱，为人们认识分子云的基本性质提供了日趋清晰完整的图像，同时也为理解大样本恒星形成区以及恒星形成宏观性质提供了关键的观测基础。早期，恒星形成微观性质的研究主要基于年轻恒星天体的光学、近红外波段的观测及星周盘的能谱构建。近 10～20 年，随着一批毫米、亚毫米波干涉阵等设备建成运行（如 ALMA），原行星盘的空间结构已经能够分辨，这极大细化了原行星盘的研究。同时，数值模拟逐渐成为研究恒星形成的重要手段。

星际尘埃

星际尘埃是恒星和行星系统形成的基石、星际气体加热的源泉、星际分子形成的媒介，并通过对星光的吸收、散射以及红外辐射影响天体的视面貌。尘埃在微波的转动辐射，是影响对宇宙背景辐射进行精确测定与分析的关键因素（ Draine， 2003）。星际尘埃研究一直是天文观测、理论计算、实验模拟的综合，其研究涉及天文学、固体材料物理学、电磁散射理论、量子化学、有机光化学等多学科交叉。一方面，基于地面光学、近红外和空间紫外、红外的多波段观测，得到各种天体环境下的星际消光（即消光量随波长的分布）及星际尘埃属性；另一方面，基于电磁散射理论和固体材料的模型拟合、量子化学计算、尘埃类比物的实验室测量、尘埃形成与演化的实验室模拟，进一步定量分析与理解天文观测信息。大型测光巡天项目全景巡天望远镜和快速反应系统（ Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System，Pan-STARRS，光学）、 2MASS（近红外）、广域红外线巡天探测卫星（ Widefield Infrared Survey Explorer， WISE） 和 Spitzer（中 红 外） 等 与 光 谱 项 目LAMOST、阿帕奇点天文台星系演化实验（ Apache Point Observatory GalacticEvolution Experiment， APOGEE）及视差巡天项目盖亚等的结合极大地推动了星际尘埃和星际消光的研究。

恒星结构与演化

恒星结构与演化理论是 20 世纪天文学的伟大成就，是指导人类认识恒星、银河系、河外星系甚至是整个宇宙演化的基础。经过近百年的发展，恒星结构与演化理论已经发展成为较完善的理论体系。观测上，刻画恒星光谱类型和恒星光度关系的赫罗图可以由恒星演化理论完美解释，成为研究恒星物理的重要工具。特别地，双星演化理论框架的建立解释了恒星世界的绝大部分谜团以及星系的一些辐射特性。尽管这样，恒星（尤其是大质量恒星）的转动、磁场、对流以及双星演化依然是恒星物理研究中比较突出的问题（ Ekström et al.，2012），需要通过理论模型和大样本数据的结合继续深入解决。

21 世纪，两方面的原因使得恒星物理研究再次回到天体物理学的最前沿，并扮演着极其重要的角色。第一，国际上一批大型地面和空间观测设备如 SDSS/APOGEE、视向速度探测卫星（ Radial Velocity Experiment，RAVE）、LAMOST、 Kepler、 Gaia、 凌 日 外 行 星 勘 测 者 卫 星（ Transiting Exoplanet Survey Satellite， TESS）等的成功运行，提供了数以千万计恒星的基本参数（有效温度、表面重力、视向速度、元素丰度）和数十亿颗恒星的高精度位置、距离、自行等信息，为恒星物理领域许多重要科学问题的研究带来了巨大的机遇。第二，Ia 型超新星测距发现宇宙加速膨胀、恒星级双黑洞并合和双中子星并合产生的引力波信号被成功捕获。这两个在天文学和物理学领域均具有划时代意义的事件，吸引了国际上大量科研人员投身于双星演化、大质量恒星演化、超新星爆发等恒星物理学这一经典领域的研究中。

在这一背景下，当前该领域的研究重点包括：①大样本恒星基本物理参数的精确测定；②通过星震学探测不同质量、不同演化阶段恒星的内部结构特征，精确确定恒星参数和年龄；③利用更精确的恒星演化模型解释观测到的诸多特殊现象；④探索不同质量，尤其是大质量恒星的演化图景；⑤精细刻画双星演化的基本物理过程，建立重要天体（ a 型超新星前身星、 X 射线双星、双白矮星、恒星级双黑洞、双中子星、黑洞 - 中子星双星等）的形成模型；⑥理论和观测相结合，研究恒星星族的整体特征。这六个重点研究方向有较大程度的交叉和相互渗透。通过包括星震学、光谱分析在内的多种观测和分析手段，对海量恒星的年龄、质量、自转、元素丰度、同位素丰度或比例等参数进行精准测定是其他科学问题研究的基础和重要保证。星震学得到的恒星结构通常被用来约束恒星演化模型，大质量恒星演化图景又与恒星级双黑洞、双中子星等致密双星的形成密切相关。

变星、双星、星团和星族

变星

恒星光度在不同时间尺度上会发生不同程度的变化，这种变化通常与恒星演化中出现的脉动、磁活动、吸积等特定物理过程有关，是透彻理解恒星形成、结构和演化的重要实验室（ Eyer et al.， 2012）。在银河系和近邻星系发现的变星主要包括脉动变星、（超）新星、耀星、激变变星、磁活动星、金牛座 T 型星、特殊化学丰度星等。早期受研究基础和仪器设备的限制，该领域的工作以发现新样本和研究经典变星［脉动变星、（超）新星、耀星等］为主。随着天文技术的迅速发展，现代的变星研究朝更深刻、更细致的方向发展，揭示在复杂变星（磁活动星、金牛座 T 型星、化学特殊星、激变变星等）上发生的一些特殊且重要的物理过程。

早期的变星观测研究主要集中在光学波段，探测手段仅限于地面的光度测量和低色散分光，分析方法相对简单。现代的变星研究已经覆盖了全电磁波段（ X 射线、紫外、光学、红外、射电波段等），探测手段也日趋完善，如光学 / 红外高色散（偏振）分光、射电综合孔径、 X 射线分光、偏振测光等。同时，研究方法也有了很大进步，包括光变曲线分析 / 反演、光谱综合、（塞曼）多普勒成像、 X 射线和射电成谱成图等。近年来，各种地面和空间的巡天项目也促进了变星研究的发展，对变星做了一定程度上的普查。它们所释放的数据可以用来探索变星的大样本统计规律。

双星

从观测角度来讲，有些双星也属于变星的一种。人们对双星类型的划分往往是唯象和物理相混合的，种类繁多，难以完备。双星的发现和轨道参数的确定，非常依赖时序测光或光谱观测，周期较长的双星监测成本非常高昂。一些关键双星演化阶段时标很短，观测非常困难。近年来，随着时域天文学的兴起，一批时域测光和光谱巡天项目（如我国的 LAMOST 光谱巡天、TESS、 Kepler 测光巡天等）大大提高了双星观测的效率，提供了大量不同类型双星精确的时域数据，有力推动了双星观测研究的快速发展，并逐渐成为实测天文领域的前沿热点方向。

星团和星族

星团是恒星的基本形成单元，几乎所有的恒星都在成团的环境中产生。作为检验恒星结构与演化理论的天然实验室，星团的研究极大地推动了恒星理论的发展。基于星团的研究，人们发展了星族合成技术，广泛用于研究银河系以及河外星系的形成与演化历史。人们最初认为星团中的恒星是接近同年龄、同化学组成的单星族，同一个星团中的恒星在诞生之初只有质量上的差别。近半个世纪以来，尤其在 20 世纪 90 年代哈勃空间望远镜发射入轨以后，人们发现，某些星团中的恒星可能既具有不同的年龄性，又拥有不同的化学组成，即星团可以具有多星族。多星族的发现极大地挑战了传统的恒星形成与演化理论，也动摇了基于传统单星族理论的星族合成技术所发展起来的星系演化的研究基础，是近几十年来星团及星族领域研究的前沿问题。星团和星族研究的一大特点是其分析基本建立在大量恒星样本的基础上。由于星团环境是密集星场，并且星族的化学成分需要高分辨率光谱分析来获得，因此对星团的研究依赖高空间光谱分辨率的观测。然而，以上两个条件往往难以同时满足（即在密集星场中很难同时获得大量恒星的高分辨率光谱）。在理论方面，对星团的研究主要基于数值模拟来复原星团的观测特征。

本文摘编自《中国天文学2035发展战略》，项目组组长为中国科学院院士景益鹏，标题和内容有调整。

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天文学是一门探索宇宙中天体起源和演化的基础学科。《中国天文学2035 发展战略》面向 2035 年，在对天文学的战略地位、发展规律与研究特点、发展现状与态势进行系统分析的基础上，对天文学的关键科学问题、发展总体思路、发展目标以及优先发展方向进行了深入论述，并提出了加快天文学发展的政策和措施建议。本书还分别阐述了星系宇宙学，恒星、银河系及星际介质，太阳物理，基本天文学，新兴方向，天文技术方法等天文学主要分支学科发展战略的研究成果。

本书为相关领域战略与管理专家、科技工作者、企业研发人员及高校师生提供了研究指引，为科研管理部门提供了决策参考，也是社会公众了解天文学发展现状及趋势的重要读本。

项目组组长简介

景益鹏，1964年1月出生于浙江省绍兴市，无党派人士，天体物理学家，中国科学院院士，上海交通大学讲席教授、博士生导师，上海交通大学物理与天文学院原院长，景益鹏长期从事宇宙结构和星系形成的数值模拟、理论研究和观测分析。主要包括宇宙暗物质与暗能量的天文观测性质、宇宙大尺度结构的形成、星系形成、星系与黑洞的共同演化、宇宙引力透镜等宇宙学基础前沿问题的研究。

来源：科学人文在线