宇宙中誕生的第一批恒星，可能被人類找到了

理論稱，第三星族星（Population III stars）為宇宙帶來了光明和希望。詹姆斯?韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（The James Webb Space Telescope，JWST）可能隱約觀測到了它們。

當(dāng)今宇宙中最大的恒星比我們的太陽大幾百倍。而宇宙最早的恒星質(zhì)量可能是太陽的十萬倍。圖片來源：《量子雜志》/Merrill Sherman

一群天文學(xué)家正在仔細(xì)研究詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡觀測到的數(shù)據(jù)，它隱約捕捉到了遙遠(yuǎn)銀河系中電離氦發(fā)出的光，這可能表明宇宙中存在的第一代恒星已被發(fā)現(xiàn)。

這些尋找已久、命名隨意的「第三星族星恒星」（Population III stars）可能是由宇宙原始?xì)怏w形成的巨大氫氦球。理論家們在 20 世紀(jì) 70 年代便開始對這些首批大火球進(jìn)行設(shè)想。假設(shè)它們在短暫的生命周期后會爆炸成超新星，形成更重的元素并將其噴入宇宙。這些恒星物質(zhì)后來形成了重元素更豐富的第二星族恒星（ Population II stars），而后甚至形成了更豐富的第一星族恒星（Population I stars），如我們的太陽，以及行星、小行星、彗星，最終產(chǎn)生了生命本身。

「因為我們?nèi)祟惖拇嬖?，所以我們知道一定有第一代恒星，」英國曼徹斯特大學(xué)的天文學(xué)家 Rebecca Bowler 如是說。

現(xiàn)在，北京中科院的天文學(xué)家王鑫和他的同事認(rèn)為他們已經(jīng)找到了這些恒星，不過這個觀點仍需確認(rèn)?！高@真的恍若夢幻，」王鑫提到。該團(tuán)隊的論文已于 12 月 8 日發(fā)布在預(yù)印版網(wǎng)站 arXiv 上，正在等待 《自然》雜志的同行評審。

即使這次研究人員觀點有誤，但對第一批恒星更有說服力的探測可能也不遠(yuǎn)了。JWST 正在大幅改變天文學(xué)探索，且被認(rèn)為能夠在足夠遙遠(yuǎn)的空間和久遠(yuǎn)的時間中看到這些恒星。此外，巨大的浮動望遠(yuǎn)鏡也早已可觀測到遙遠(yuǎn)的星系，這些星系不尋常的亮度表明它們可能包含第三星族恒星。現(xiàn)在使用 JWST 觀測恒星的其他科研小組也正爭先恐后分析自己的數(shù)據(jù)。「這絕對是最熱門的問題之一，” 加州大學(xué)圣地亞哥分校的物理學(xué)家 Mike Norman 說，他正通過計算機仿真模擬來研究恒星。

一項權(quán)威可靠的發(fā)現(xiàn)將會使天文學(xué)家得以開始探索恒星的大小和外觀、它們存在的時間，以及它們?nèi)绾卧谠嫉暮诎涤钪嬷型蝗涣疗稹?/span>

「這確實是在宇宙歷史上最根本的變化之一，」Bowler 表示。

第三星族恒星（Population III）

德國天文學(xué)家沃爾特?巴德 (Walter Baade) 于 1944 年將我們銀河系中的恒星分為 I 型和 II 型。后者包含由較輕元素組成的較老恒星。數(shù)十年后，第三星族恒星的觀點也被寫入了文獻(xiàn)。英國天體物理學(xué)家伯納德?卡爾（Bernard Carr）在 1984 年發(fā)表的一篇提高了他們知名度的論文中描述了這種原始恒星在早期宇宙中可能發(fā)揮的重要作用?！杆鼈兊臒崃炕虮赡苁褂钪嬖匐婋x，」卡爾和他的同事寫道，「…… 產(chǎn)生的重元素可能加速了前銀河系的元素富集，」從而形成了后來更富含重元素的恒星。

卡爾和他的合著者推測，由于早期宇宙中存在大量的氫氣和氦氣，形成的恒星可能已經(jīng)擁有浩瀚無際的尺寸，因而應(yīng)該隨處都可以測量到太陽大幾百乃至十萬倍的恒星。

北京中科院的天文學(xué)家王鑫在早期宇宙中檢測到氦 II，這可能表明宇宙中存在第三星族恒星。

那些屬于較重范疇那類的恒星，即所謂的超大質(zhì)量恒星，它們表面溫度會相對較低、表現(xiàn)為紅色和膨脹的狀態(tài)，其大小幾乎可以等同于我們整個太陽系。密度更大、大小更適中的第三星族星變體會發(fā)出滾燙的藍(lán)光，表面溫度約為 5 萬攝氏度，而相較而言，我們的太陽表面只有 5500 攝氏度。

2001 年，Norman 通過計算機仿真解釋了如此大的恒星是如何形成的。在目前的宇宙中，氣體云分裂成許多小恒星。但仿真模擬表明，早期宇宙中的氣體云比現(xiàn)代的氣體云熱得多，不能像如今這樣容易凝結(jié)，因此在恒星形成時效率較低。相反，整個氣體云會坍塌形成一顆單獨的巨星。

這些恒星巨大的質(zhì)量意味著其生命周期是短暫的，最多只能持續(xù)幾百萬年（更大質(zhì)量的恒星總能更快地燃燒掉可用的燃料）。因此，第三星族星在宇宙歷史上將不會存續(xù)太長時間 —— 或許只會存在數(shù)億年，直至最后一批原始?xì)怏w的消散殆盡為止。

其實還有很多問題存在大量的不確定性。這些恒星的質(zhì)量究竟有多大？它們在宇宙中存在的時間最晚是何時？在早期的宇宙中，它們有多豐富？Bowler 說：“它們與我們銀河系中的恒星完全不同，真是太有趣了。”

英國曼徹斯特大學(xué)天文學(xué)家 Rebecca Bowler 研究了早期宇宙中銀河系的形成和演化。圖片來自 Anthony Holloway / 曼徹斯特大學(xué)

因為它們距離太遠(yuǎn)，存在時間太短，所以尋找與它們相關(guān)的證據(jù)一直是一個挑戰(zhàn)。然而在 1999 年，科羅拉多大學(xué)博爾德分校的天文學(xué)家預(yù)測，恒星應(yīng)該會產(chǎn)生一個會泄露存在跡象的信號：當(dāng)每個原子的剩余電子在能級之間躍遷時，氦 II 或缺少電子的氦原子發(fā)出的光會具有特定的頻率。曼徹斯特大學(xué)的天文學(xué)家 James Trussler 解釋說：氦發(fā)出的光實際上并非來自恒星本身，相反，它是恒星熱表面的高能光子沖入恒星周圍的氣體時產(chǎn)生的。

日內(nèi)瓦大學(xué)的 Daniel Schaerer 在 2002 年對這一觀點進(jìn)行了擴展，他說：「這是一個相對簡單的預(yù)測」，對這些證據(jù)的搜尋正式開始了。

尋找第一代恒星

2015 年，Schaerer 和他的同事們認(rèn)為他們可能尋找到了什么。他們在一個遙遠(yuǎn)的原始星系中發(fā)現(xiàn)了一個氦 II 信號的可能線索，而這個星系可能與一群第三星族星有關(guān)。從大爆炸 8 億年后的樣子來看，這個星系似乎包含了宇宙中第一代恒星的第一個證據(jù)。

Bowler 后來主導(dǎo)的研究對這些發(fā)現(xiàn)提出了質(zhì)疑。她說：「我們從源頭上發(fā)現(xiàn)了有氧元素的證據(jù)。這排除了純粹的第三星族星預(yù)測的可能性。」隨后，一個獨立的小組未能探測到最早的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)的氦 II 線索?！杆辉谀抢?，」Bowler 說。

其他人的探尋境況會好一些嗎？

天文學(xué)家將他們的希望寄托在 2021 年 12 月裝載好的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）上。這架望遠(yuǎn)鏡擁有巨大的鏡體和對紅外光前所未有的靈敏度，可以比之前的任何望遠(yuǎn)鏡都更容易地觀察早期宇宙。因為光傳播需要時間，所以盡管它們出現(xiàn)在很久以前，望遠(yuǎn)鏡仍然可以看到遙遠(yuǎn)的微弱物體。此外，望遠(yuǎn)鏡還可以進(jìn)行光譜分析，將光分解成其組成波長，這使它能夠?qū)ふ业谌亲逍堑暮?II 標(biāo)志。

王鑫的團(tuán)隊分析了 JWST 2000 多個觀測目標(biāo)的光譜數(shù)據(jù)。其中一個是大爆炸后 6.2 億年才出現(xiàn)的遙遠(yuǎn)星系。根據(jù)研究人員的說法，這個星系被分成兩部分。他們的分析表明，其中一半星系似乎含有氦 II 的關(guān)鍵信號，其中還混合著其它元素發(fā)出的光，這可能意味著它們是數(shù)千顆第三星族星和其他恒星的混合星族。此外，對星系另一半部分的光譜分析尚未完成，但它的亮度暗示著這是一個更富第三星族星的環(huán)境。

「我們正在努力申請使用 JWST 下一個周期的觀測時間來覆蓋觀測整個星系，以便有機會來確認(rèn)這些天體，」王鑫如是說。

根據(jù) Norman 的說法，這個星系是一個「令人頭疼的地方」。他說，如果氦 II 的結(jié)果經(jīng)得起推敲，“那么一種可能就是這個星系就是第三星族星群。” 然而，他不確定第三星族星和后來的恒星是否能如此輕易地混合在一起。

亞利桑那州立大學(xué)的 Rogier Windhorst 正在使用引力透鏡來試圖放大早期宇宙中第三星族星的圖像?！肝覀円呀?jīng)有了一些候選的觀測目標(biāo)，」他說。圖片來自 Charlie Leight/ASU 新聞。

英國樸次茅斯大學(xué)的天體物理學(xué) Daniel Whalen 也同樣謹(jǐn)慎。他說：「這確實可能是一個星系中混合了第三星族星和第二星族星的證據(jù)。盡管這將可能是宇宙中第一代恒星的『第一個直接證據(jù)』，然而這卻并非確鑿證據(jù)。」其它滾燙的宇宙天體也可以產(chǎn)生類似的氦 II 信號，包括旋繞在黑洞周圍的灼熱物質(zhì)吸積盤。

王鑫認(rèn)為，他的團(tuán)隊可以排除黑洞為該氦 II 信號的來源的可能性，因為他們沒有檢測到特定的氧、氮或電離碳信號，而這些是這種可能的預(yù)期條件。然而，這項工作仍有待同行審查，而且即便如此，后續(xù)觀察也需要確認(rèn)其潛在發(fā)現(xiàn)。

原文鏈接：

https://www.quantamagazine.org/astronomers-say-they-have-spotted-the-universes-first-stars-20230130/