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出生已百億年, 第一代恒星現在還好嗎
2017-12-07 07:58:17 來源: 科技日報
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  藝術家對遙遠星係CR7的構想圖,這裏可能包含著宇宙最原始的恒星

  大爆炸後的4億年,才形成了宇宙中的第一代恒星

  對于一部分天文學家來説,越古老的天體越有趣,比如第一代恒星、第一代星係等等。近日,來自美國馬薩諸塞大學與墨西哥國家天體物理、光學與電子研究所的一個國際研究團隊在《自然·天文》上發布了一個重要發現。他們利用大型毫米波望遠鏡通過光譜觀測證認了一個紅移大于6.0的恒星形成星係G09 83808。這是迄今第二遙遠的塵埃恒星形成星係,僅比宇宙年輕10億歲。這個誕生于128億年前的第一代大質量星係,是宇宙中最年老的天體之一。而這些明亮的大家夥還有一個重要的身份——它們常常被認為是宇宙中第一代恒星的家園。

  宇宙中的第一縷星光

  大爆炸發生了數億年之後,第一代恒星才出現。人們普遍相信宇宙中的第一代恒星誕生在宇宙最早期不含有任何金屬的氣體中。但由于在觀測上從來沒有真正看到過它們,關于第一代恒星的真實面目仍然眾説紛紜。

  我們生活在一個充滿明亮天體的宇宙之中。找一個晴朗的月黑之夜,你可以用肉眼看到成千上萬顆星星。不過它們僅僅是我們在銀河係裏的左鄰右舍,只有通過望遠鏡才能看到數億星係照亮的廣袤宇宙。

  現代宇宙學告訴我們,在宇宙剛剛降生的很長一段時間裏,到處都是一片黑暗,直到大爆炸發生了數億年之後,才出現了第一代恒星。在此之後又經歷了十億年,才産生了第一代星係。長久以來天文學家一直在追問:宇宙中的第一縷星光到底是如何誕生于黑暗之中?我們又該去哪裏找尋它們?

  經過幾十年的研究,宇宙學家通過復雜的數值模擬計算設計出了合理的模型,認為大爆炸留下的密度起伏可以逐步演化成第一代恒星。除此之外,對于遙遠星係的觀測也可以使我們乘著時光機回溯到宇宙黑暗年代的最後一刻。

  長久以來,人們普遍相信宇宙中的第一代恒星誕生在原初分子雲——宇宙最早期不含有任何金屬的氣體中。理論學家預言這些恒星大氣層中的金屬含量極低,甚至不含有任何金屬元素,即只存在氫、氦和極少量的鋰。

  然而,由于在觀測上從來沒有真正看到過它們,關于第一代恒星的真實面目仍然眾説紛紜。它們有可能是比太陽質量大百倍的重量級選手,也有可能是和太陽質量差不多的不起眼的小家夥。

  曇花一現還是深藏不露?

  第一代恒星都會以大質量短壽命作為終結,在極特殊的條件下,例如具有極高的角動量係統中,仍然有可能産生小的碎片從而形成小質量的第一代恒星。當這些恒星質量小于太陽時,就有可能一直活到今天。

  因為不含金屬,産生第一代恒星的氣體係統比今天的分子雲氣體要簡單得多。而且宇宙學模型基本上能夠為關于第一代恒星孕育環境的初始條件提供非常完整的描述。

  最早的氣體雲由于自身的重力開始收縮,在這個過程中加熱氣體並形成氫分子。隨著氫分子的冷卻,在最致密的區域會形成團塊,也就是第一代恒星的搖籃。這些團塊的溫度幾乎是今天孕育恒星的分子雲溫度的三十倍。這也意味著它們發生塌縮的臨界質量要比後者高出一千倍。

  這些氣體團塊“始祖”的最終結局如何?它們究竟是産生了與自身質量相當的恒星,還是分裂成許多小塊從而形成大量小質量的恒星?二十世紀末至本世紀初的大量理論研究和數值模擬都將演算的終點推向前者,並且幾乎完全排除了原初團塊分裂的可能性。這意味著第一代恒星都是具有數十倍甚至數百倍于太陽質量的大塊頭。但這也不幸地意味著它們不能活得太久,通常熬不過幾百萬年的時間,更不用説穿越一百三十億年出現在今天我們的視野中了。

  在最近的十年中,關于第一代恒星的不可觀測性出現了轉機。來自美國、日本等多個理論研究團組的研究結果都表明,盡管一般情況下,第一代恒星都會以大質量短壽命作為終結,但在極特殊的條件下,例如具有極高的角動量係統中,仍然有可能産生小的碎片從而形成小質量的第一代恒星。當這些恒星質量小于太陽時,就有可能一直活到今天。理論學家甚至預言,在銀河係中心核球以及近鄰矮星係中,都有可能會找到它們。然而,這種情況的極端特殊性以及它們隱藏區域的極難觀測性,並沒有降低找到第一代恒星的難度係數。

  通向遠古宇宙的恒星考古

  在過去的幾十年裏,已經有大量的天文學家致力于尋找第二代恒星。這些恒星的質量一般比太陽要小,因此能夠存活得極為長久。通過測量它們的化學成分,可以沿著宇宙時標穿越回到遠古,了解第一代恒星和早期宇宙的本質。

  第一代恒星的壽命很短,但常常以非常壯麗的方式結束它們的生命,比如超新星爆發。在這個過程中,核聚變反應産生的金屬元素被噴射到周圍的環境中,然後以遠比氫分子雲高效的方式快速冷卻並産生小質量的第二代恒星。這些恒星的質量一般比太陽要小,因此能夠存活得極為長久,其中有一些時至今日仍然可以被觀測到。

  如果認為這些長壽明星的表面化學成分沒有被內部“混合”過程或者外部影響明顯改變,通過測量這些化學成分,我們就可以沿著宇宙時標穿越回到遠古,從而了解第一代恒星和早期宇宙的本質。

  由于這些珍稀的古老恒星是我們目前通往宇宙最早期星光的唯一觀測途徑,而且觀察這些身處銀河係及其近鄰星係的恒星遠比遙遠的星係要容易得多。

  在過去的幾十年裏,已經有大量的天文學家致力于尋找第二代恒星。雖然它們也極其稀有——在太陽附近區域,大約每十萬顆恒星當中才有可能找到一兩顆,人們還是幸運地撞見了一些。其中最讓人驚嘆的是澳大利亞天文學家通過SkyMapper望遠鏡看到的SMSS 0313-6708,它的金屬含量還不到太陽的千萬分之一,現有的天文觀測甚至無法在它的大氣中找到任何鐵元素的痕跡。盡管我們還無法準確地判斷它究竟有多老,但科學家們幾乎非常確定,它一定不會比宇宙年輕多少。

  通過分析年老恒星來研究第一代恒星和早期宇宙通常被稱作“恒星考古”或者“近場宇宙學”。我國天文學家在最近幾年也積極投入其中,並正在利用我國自主設計研發的LAMOST望遠鏡建立目前世界上最大的“宇宙化石”樣本,希望能夠發現更多珍奇的第二代恒星,並為破解第一代恒星的神秘身份提供新證據。(李海寧 作者係中科院國家天文臺副研究員)

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【糾錯】 責任編輯: 谷玥
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