出生已百亿年， 第一代恒星现在还好吗

2017-12-07  来源：  科技日报

　　艺术家对遥远星系CR7的构想图，这里可能包含着宇宙最原始的恒星

　　对于一部分天文学家来说，越古老的天体越有趣，比如第一代恒星、第一代星系等等。近日，来自美国马萨诸塞大学与墨西哥国家天体物理、光学与电子研究所的一个国际研究团队在《自然·天文》上发布了一个重要发现。他们利用大型毫米波望远镜通过光谱观测证认了一个红移大于6.0的恒星形成星系G09 83808。这是迄今第二遥远的尘埃恒星形成星系，仅比宇宙年轻10亿岁。这个诞生于128亿年前的第一代大质量星系，是宇宙中最年老的天体之一。而这些明亮的大家伙还有一个重要的身份——它们常常被认为是宇宙中第一代恒星的家园。

　　宇宙中的第一缕星光

　　大爆炸发生了数亿年之后，第一代恒星才出现。人们普遍相信宇宙中的第一代恒星诞生在宇宙最早期不含有任何金属的气体中。但由于在观测上从来没有真正看到过它们，关于第一代恒星的真实面目仍然众说纷纭。

　　我们生活在一个充满明亮天体的宇宙之中。找一个晴朗的月黑之夜，你可以用肉眼看到成千上万颗星星。不过它们仅仅是我们在银河系里的左邻右舍，只有通过望远镜才能看到数亿星系照亮的广袤宇宙。

　　现代宇宙学告诉我们，在宇宙刚刚降生的很长一段时间里，到处都是一片黑暗，直到大爆炸发生了数亿年之后，才出现了第一代恒星。在此之后又经历了十亿年，才产生了第一代星系。长久以来天文学家一直在追问：宇宙中的第一缕星光到底是如何诞生于黑暗之中？我们又该去哪里找寻它们？

　　经过几十年的研究，宇宙学家通过复杂的数值模拟计算设计出了合理的模型，认为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，对于遥远星系的观测也可以使我们乘着时光机回溯到宇宙黑暗年代的最后一刻。

　　长久以来，人们普遍相信宇宙中的第一代恒星诞生在原初分子云——宇宙最早期不含有任何金属的气体中。理论学家预言这些恒星大气层中的金属含量极低，甚至不含有任何金属元素，即只存在氢、氦和极少量的锂。

　　然而，由于在观测上从来没有真正看到过它们，关于第一代恒星的真实面目仍然众说纷纭。它们有可能是比太阳质量大百倍的重量级选手，也有可能是和太阳质量差不多的不起眼的小家伙。

　　昙花一现还是深藏不露？

　　第一代恒星都会以大质量短寿命作为终结，在极特殊的条件下，例如具有极高的角动量系统中，仍然有可能产生小的碎片从而形成小质量的第一代恒星。当这些恒星质量小于太阳时，就有可能一直活到今天。

　　因为不含金属，产生第一代恒星的气体系统比今天的分子云气体要简单得多。而且宇宙学模型基本上能够为关于第一代恒星孕育环境的初始条件提供非常完整的描述。

　　最早的气体云由于自身的重力开始收缩，在这个过程中加热气体并形成氢分子。随着氢分子的冷却，在最致密的区域会形成团块，也就是第一代恒星的摇篮。这些团块的温度几乎是今天孕育恒星的分子云温度的三十倍。这也意味着它们发生塌缩的临界质量要比后者高出一千倍。

　　这些气体团块“始祖”的最终结局如何？它们究竟是产生了与自身质量相当的恒星，还是分裂成许多小块从而形成大量小质量的恒星？二十世纪末至本世纪初的大量理论研究和数值模拟都将演算的终点推向前者，并且几乎完全排除了原初团块分裂的可能性。这意味着第一代恒星都是具有数十倍甚至数百倍于太阳质量的大块头。但这也不幸地意味着它们不能活得太久，通常熬不过几百万年的时间，更不用说穿越一百三十亿年出现在今天我们的视野中了。

　　在最近的十年中，关于第一代恒星的不可观测性出现了转机。来自美国、日本等多个理论研究团组的研究结果都表明，尽管一般情况下，第一代恒星都会以大质量短寿命作为终结，但在极特殊的条件下，例如具有极高的角动量系统中，仍然有可能产生小的碎片从而形成小质量的第一代恒星。当这些恒星质量小于太阳时，就有可能一直活到今天。理论学家甚至预言，在银河系中心核球以及近邻矮星系中，都有可能会找到它们。然而，这种情况的极端特殊性以及它们隐藏区域的极难观测性，并没有降低找到第一代恒星的难度系数。

　　通向远古宇宙的恒星考古

　　在过去的几十年里，已经有大量的天文学家致力于寻找第二代恒星。这些恒星的质量一般比太阳要小，因此能够存活得极为长久。通过测量它们的化学成分，可以沿着宇宙时标穿越回到远古，了解第一代恒星和早期宇宙的本质。

　　第一代恒星的寿命很短，但常常以非常壮丽的方式结束它们的生命，比如超新星爆发。在这个过程中，核聚变反应产生的金属元素被喷射到周围的环境中，然后以远比氢分子云高效的方式快速冷却并产生小质量的第二代恒星。这些恒星的质量一般比太阳要小，因此能够存活得极为长久，其中有一些时至今日仍然可以被观测到。

　　如果认为这些长寿明星的表面化学成分没有被内部“混合”过程或者外部影响明显改变，通过测量这些化学成分，我们就可以沿着宇宙时标穿越回到远古，从而了解第一代恒星和早期宇宙的本质。

　　由于这些珍稀的古老恒星是我们目前通往宇宙最早期星光的唯一观测途径，而且观察这些身处银河系及其近邻星系的恒星远比遥远的星系要容易得多。

　　在过去的几十年里，已经有大量的天文学家致力于寻找第二代恒星。虽然它们也极其稀有——在太阳附近区域，大约每十万颗恒星当中才有可能找到一两颗，人们还是幸运地撞见了一些。其中最让人惊叹的是澳大利亚天文学家通过SkyMapper望远镜看到的SMSS 0313-6708，它的金属含量还不到太阳的千万分之一，现有的天文观测甚至无法在它的大气中找到任何铁元素的痕迹。尽管我们还无法准确地判断它究竟有多老，但科学家们几乎非常确定，它一定不会比宇宙年轻多少。

　　通过分析年老恒星来研究第一代恒星和早期宇宙通常被称作“恒星考古”或者“近场宇宙学”。我国天文学家在最近几年也积极投入其中，并正在利用我国自主设计研发的LAMOST望远镜建立目前世界上最大的“宇宙化石”样本，希望能够发现更多珍奇的第二代恒星，并为破解第一代恒星的神秘身份提供新证据。（李海宁 作者系中科院国家天文台副研究员）