第二代恒星J0018-0939带有宇宙第一代恒星的化学印记。(National Astronomical Observatory of Japan)

几十年来科学家猜测宇宙的第一代恒星中一定存在著一些大质量的恒星,近日日本天文学家的观测结果支持了该理论。他们在一颗古老的橙色恒星中,找到了可能是宇宙最初恒星之一所留下的印记。这颗最初恒星的质量可能是太阳的140倍以上。

数十亿年前,当第一代恒星以壮观的超新星形式爆炸后,将内部物质抛掷到太空中,形成气体云,最终形成了一颗橙色恒星,这颗恒星现在距离地球约1000光年远。了解这些第一代恒星的质量或质量范围很重要,它帮助天文学家了解最早期宇宙如何从充满气体的黑暗究竟转变为充满新生星系和恒星的地方,以及由黑暗转为光明所需要的时间。

美国得克萨斯大学奥斯汀分校的天体物理学家布隆姆(Volker Bromm)说,「宇宙的黑暗时代如何结束,真的取决于第一代恒星的质量」,他称新发现是「重要的数据点」。

根据目前科学界普遍认可的大爆炸理论,我们的宇宙是137.5亿年前由一个非常小的点爆炸形成的。大爆炸初期宇宙极为明亮,但随著宇宙的膨胀,能量逐渐形成了物质,大量氢气弥散在宇宙中。直到10亿年后,星系产生的多了,宇宙才开始亮起来。这10亿年被称为宇宙的「黑暗时代」。在宇宙的「黑暗时代」,气体里几乎没有金属,恒星、黑洞、星系结构都还没有形成,没有可见光,也没有电磁辐射。

科学家认为,大爆炸几亿年后宇宙的第一代恒星诞生,当时,稀薄的氢气氦气和暗物质混合物充斥太空。不规则暗物质团块开始塌缩,气体高度密集,成为恒星并开始发光。许多这些第一代恒星,被称为第三星族星(population III stars),它们是被相信在宇宙早期应该普遍存在的质量极大的恒星。这些恒星质量巨大,是太阳质量的几百倍,由缓慢塌缩的大型气体云所形成,这些巨大恒星能量很大,足以重塑周围环境,帮助形成早期的星系和星团,并燃烧掉氢气雾。经过几百万年后,生命短暂的大质量恒星死亡时爆炸的超新星威力之强可以摧毁星系。爆炸时抛出的化学元素植入了周围的气体云,天文学家现在可以像读取指纹一样读取这些印记。这些元素有助于气体云冷却和更快凝结,剧烈改变了气体的冷却机制,改变了恒星形成机制,形成了质量较小的第二代恒星,导致第一代恒星退出历史舞台。第二代恒星其中一些至今仍然存在,科学家可以用其研究太古恒星的印记。

日本国家天文台以青木和光为首的天文学家团队开始寻找可能携带了来自第一代祖先印记的第二代恒星,他们寻找金属含量低、质量小的长寿恒星,这些小恒星可能形成于宇宙初期,并且没有受到超新星爆炸物污染。

青木和光说,「金属含量低的恒星清楚记录单一次超新星爆炸的产物 我们可以从这颗恒星的化学丰度估算前身恒星的质量。」

调查中,编号为J0018-0939的橙色小恒星脱颖而出。它的碳、镁和钴含量都很低(这些元素在天文学中都被视为「金属」),但铁的含量却特别高。本来这么高的含铁量足以把这颗恒星从调查范围排除了,但是它引起了科学家的好奇。

该小组使用夏威夷昴星望远镜观测这颗恒星,仔细研究它的化学组成和化学元素的丰度,结果是前所未见的。布隆姆说「他们冒了个风险,结果很值得」。

接下来,天文团队比对这颗恒星的化学印记的观测数据与超新星爆炸可产生印记的模拟数据,发现最符合这颗恒星化学组成的爆炸模型,是「不稳定对超新星」,不稳定对超新星只会发生在质量介于130至250倍太阳质量,并且拥有中等金属量的恒星,最常见于第三族恒星,这种爆炸的威力可以比今天看得到的超新星大一百倍。

青木和光说,能够产生「不稳定对超新星」并且产生如此大量的铁的唯一方式,就是有一颗质量至少是太阳140倍的巨星发生爆炸。不过这颗橙色小恒星的化学成分并不完全符合这类爆炸会产生的物质。

麻省理工学院的天文学家佛里贝尔(Anna Frebel)曾经观测到一些其他的第二代恒星,这些恒星与J0018-0939一样,也带有宇宙最早恒星的印记,不过那些印记并未显示巨大质量恒星的存在。

布隆姆说,宇宙初期也存在大量较小质量的恒星,大型恒星很可能是少数。计画于2018发射升空的詹姆斯.韦伯太空望远镜或许能够为揭示太古宇宙之光提供新的线索。

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