在宇宙誕生之后的約1-2億年間，第一代恒星開始形成。作為宇宙中最早出現(xiàn)的“居民”，習慣上將這些最原始、最古老的恒星統(tǒng)稱為“星族III恒星”。它們誕生于一個極為特殊的環(huán)境：當時的宇宙沒有恒星和星系，僅含有宇宙大爆炸產(chǎn)生的氫、氦以及極少量的鋰元素，整個宇宙正處于一段被稱為“黑暗時期”的漫長階段，沒有光亮，也沒有恒星的光輝。在這樣一個幾乎不含“金屬”（金屬指氫和氦之外的所有元素，下同）的極端貧金屬環(huán)境下，第一代恒星悄然誕生。它們?nèi)缤钪嬷械牡谝豢|曙光，照亮了黑暗的宇宙，標志著宇宙歷史的一個重要轉(zhuǎn)折點。

第一代恒星演化形成超新星。

這些大質(zhì)量的第一代恒星壽命非常短暫，僅數(shù)百萬年便以超新星爆發(fā)的形式終結(jié)。在其生命的最后時刻，它們將內(nèi)部核聚變產(chǎn)生的金屬元素拋灑到周圍的星際空間中，提高了星際空間原始氣體云的金屬含量。這種變化使得第二代恒星的形成環(huán)境與第一代截然不同，其性質(zhì)也發(fā)生了顯著變化。例如，理論學家就認為第一代恒星的質(zhì)量極大，可能達到數(shù)百甚至上千倍太陽質(zhì)量，與我們現(xiàn)今能直接觀測到的年輕恒星的質(zhì)量分布差異明顯。

然而，由于這些大質(zhì)量的第一代恒星誕生于宇宙的極早期，且壽命極短，直接觀測到它們的難度極大，天文學家至今也未能完全理解第一代恒星的性質(zhì)和形成過程。理解第一代恒星的形成與演化，又是我們理解恒星形成和宇宙化學演化的關鍵。因此，《科學》雜志將第一代恒星列為了125個最具挑戰(zhàn)性的科學問題之一。目前，包括中國空間站工程巡天望遠鏡和美國韋布望遠鏡在內(nèi)的先進觀測設備，都將第一代恒星作為重要的科學目標。

/貧金屬星：

第一代恒星的“活化石”

由于直接觀測第一代恒星的難度極大，天文學家長期以來主要通過間接的觀測來研究它們。在銀河系及近鄰星系中，有一類被稱為貧金屬星的恒星，它們的“金屬”含量極低。這些恒星是在第一代恒星演化并爆發(fā)為超新星之后形成的，因此被稱為第二代恒星。它們的外層大氣保留了第一代恒星產(chǎn)生的金屬元素，這些金屬元素在外層大氣中的含量各異，就像一串“遺傳密碼”，記錄了第一代恒星的演化歷史。而由于第二代恒星的質(zhì)量較小，甚至低于太陽質(zhì)量，使得它們可以存活至今，被天文學家直接觀測到，因此，它們成為了研究第一代恒星的“活化石”。

數(shù)十年來，天文學家利用LAMOST、SDSS和Gaia等大型觀測設備對數(shù)以千萬計的恒星進行了系統(tǒng)觀測，發(fā)現(xiàn)了大量金屬豐度極低的貧金屬星。通過分析這些恒星的化學成分，天文學家正在開展一項被稱為“恒星考古”的研究，試圖從這些古老的恒星中挖掘出第一代恒星遺存的信息，追溯它們的形成演化的歷史。

在原始氣體云中形成了第一代恒星。

早在二十世紀五十年代，密歇根大學的約瑟夫·張伯倫（Joseph Chamberlain）和勞倫斯·阿勒（Lawrence Aller）就發(fā)現(xiàn)了第一批貧金屬星。其中一顆名為HD 140283的恒星，其鐵含量還不到太陽的1/100，這是早期的重要發(fā)現(xiàn)之一。

到了二十世紀八十年代，隨著觀測技術的進步，貧金屬星的數(shù)量迅速增加，累計達到了數(shù)百顆，恒星鐵含量最低的記錄也不斷被刷新，例如，HK巡天發(fā)現(xiàn)了首顆鐵含量低于太陽萬分之一的恒星；麻省理工學院的安娜·弗瑞貝爾（Anna Frebel）則發(fā)現(xiàn)了另一顆極貧金屬星——HE1327-2326，它的鐵含量僅為太陽的30萬分之一。截至目前，人類發(fā)現(xiàn)的恒星中，鐵含量的最低記錄已經(jīng)低于太陽的千萬分之一。

要研究第一代恒星的性質(zhì)，天文學家需要結(jié)合理論模型和觀測數(shù)據(jù)。理論學家通過數(shù)值模擬計算得到的第一代恒星的超新星爆發(fā)模型，模型給出了不同性質(zhì)的第一代恒星通過超新星爆發(fā)產(chǎn)生了哪些種類的元素，以及這些元素的相對含量。然后，天文學家將觀測得到的貧金屬星的元素豐度與一系列超新星爆發(fā)模型進行比對，從中尋找與觀測結(jié)果最為匹配的理論模型，從而得到第一代恒星的性質(zhì)。例如，天文學家基于超新星爆發(fā)模型和觀測得到的恒星豐度，揭示了一顆鐵含量低于太陽10萬分之一的貧金屬星外層大氣中的金屬元素來自于一個質(zhì)量約為25倍太陽質(zhì)量的第一代恒星。

25倍太陽質(zhì)量的第一代恒星的超新星爆發(fā)模型（黑色空心方塊）與貧金屬星元素豐度（紅色圓點）的對比。

/缺失的第一代超大質(zhì)量恒星

盡管通過貧金屬星的研究，天文學家已經(jīng)得到了數(shù)百顆第一代恒星的質(zhì)量信息，并研究了第一代恒星的質(zhì)量分布，結(jié)果卻令人意外：所有已知的第一代恒星質(zhì)量均低于100倍太陽質(zhì)量，這一發(fā)現(xiàn)對理論預期提出了極大的挑戰(zhàn)。

天文學家此前由貧金屬星研究得到的第一代恒星的質(zhì)量分布。

根據(jù)理論模型，第一代恒星的質(zhì)量可以達到數(shù)百甚至上千倍太陽質(zhì)量，特別是質(zhì)量在140到260倍太陽質(zhì)量之間的恒星，在演化過程中會形成一種獨特的超新星——對不穩(wěn)定超新星（PISN），這種超新星的爆發(fā)機制與普通超新星不同，它的形成伴隨著正負電子對的產(chǎn)生，正負電子對減弱了恒星核心處產(chǎn)生的向外的輻射壓力，隨后引發(fā)了劇烈的坍縮和熱核爆炸。

與100倍太陽質(zhì)量以下的第一代恒星演化形成的核坍縮型超新星相比，理論預言PISN的產(chǎn)物具有極為特殊的化學元素組成，其最主要的特征是原子序數(shù)為奇數(shù)的元素（如鈉、鈷）含量遠小于相鄰的原子序數(shù)為偶數(shù)的元素（如鎂、鎳）含量，這也被稱為“奇偶效應”。因此，保留了PISN產(chǎn)物的第二代恒星也會呈現(xiàn)出類似的罕見化學豐度模式。然而受限于貧金屬星樣本的規(guī)模，天文學家始終未能在貧金屬星中發(fā)現(xiàn)PISN的化學印記，也沒有發(fā)現(xiàn)100倍太陽質(zhì)量以上第一代恒星存在過的直接證據(jù)。為填補這一空白，天文學家亟需通過擴大貧金屬星的樣本規(guī)模，以便更全面地探索第一代恒星的性質(zhì)。

理論計算給出的不同質(zhì)量第一代恒星的結(jié)局。

/LAMOST助力發(fā)現(xiàn)

第一代超大質(zhì)量恒星的化學印記

中國科學院國家天文臺趙剛研究員團隊充分發(fā)揮我國大型光譜巡天望遠鏡——LAMOST觀測數(shù)據(jù)的數(shù)量優(yōu)勢，啟動了國際上最大規(guī)模的貧金屬星搜尋項目，成功發(fā)現(xiàn)了數(shù)萬顆貧金屬星，極大地拓展了這一類恒星的樣本規(guī)模。這項研究首次提供了第一代超大質(zhì)量恒星演化形成對不穩(wěn)定超新星的化學證據(jù)。

LAMOST上的雙子座流星雨。攝影 / 白一帆

研究團隊系統(tǒng)分析了400余顆貧金屬星樣本的元素豐度，其中由邢千帆研究員在一批鎂含量異常偏低的貧金屬星中，發(fā)現(xiàn)了一顆化學元素含量極為特殊的銀河系暈族恒星——LAMOST J1010+2358。這顆恒星的鎂含量僅為太陽的一半，而絕大多數(shù)銀暈恒星的鎂含量在太陽的兩倍左右；此外，它的鈉含量也是目前已知恒星中最低的。更引人注目的是，它的豐度模式展現(xiàn)出已知最強的“奇偶效應”。研究人員隨即對這顆恒星的化學成分展開了深入分析，結(jié)果表明：100倍太陽質(zhì)量以下的恒星對應的超新星模型（核坍縮超新星）均無法解釋這顆恒星的化學豐度特征，而一個260倍太陽質(zhì)量的PISN理論模型卻與觀測結(jié)果高度吻合，PISN模型不僅可以形成極低的鈉和鎂含量，還能很好地解釋這顆恒星所展示出的“奇偶效應”。這一發(fā)現(xiàn)意味著，天文學家首次證實了第一代恒星質(zhì)量可以達到100倍太陽質(zhì)量以上，并且能夠演化成PISN，為理解宇宙早期恒星的演化歷史提供了關鍵線索。

恒星LAMOST J1010+2358的元素豐度與超新星模型數(shù)據(jù)的對比。

/第一代恒星的初始質(zhì)量函數(shù)

這項發(fā)現(xiàn)不僅改變了我們對第一代恒星質(zhì)量范圍的認知，也為恒星的初始質(zhì)量函數(shù)的研究提供了新的觀測約束。恒星初始質(zhì)量函數(shù)描述的是一群恒星在剛誕生時的質(zhì)量分布情況，越來越多的觀測證據(jù)表明，恒星的初始質(zhì)量函數(shù)會隨著金屬含量的改變而發(fā)生變化。第一代恒星誕生于幾乎不含金屬含量的宇宙極早期，因此它的初始質(zhì)量函數(shù)可以說是整個恒星初始質(zhì)量函數(shù)的“起始點”。未來，天文學家期待能通過LAMOST等先進望遠鏡，發(fā)現(xiàn)更多第一代超大質(zhì)量恒星的“后代”，進一步填補100倍太陽質(zhì)量以上的大質(zhì)量端第一代恒星質(zhì)量分布研究的空白。

來源：中國國家天文

編輯：可去奇點

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