科技日?qǐng)?bào)記者 陸成寬

理論預(yù)言，宇宙早期第一代恒星的質(zhì)量可以超過(guò)100倍太陽(yáng)質(zhì)量。然而，遺憾的是，天文學(xué)家此前從未在觀測(cè)上予以證實(shí)。

(相關(guān)資料圖)

這次，我國(guó)天文學(xué)家找到了此類恒星曾經(jīng)存在的“實(shí)錘”！6月7日，《自然》在線發(fā)表了中科院國(guó)家天文臺(tái)趙剛研究員團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)最新研究成果。依托郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）獲取的海量恒星光譜數(shù)據(jù)，他們?cè)阢y河系暈中發(fā)現(xiàn)一顆化學(xué)特征獨(dú)特的恒星，其化學(xué)元素豐度表明，形成該恒星的物質(zhì)源自一顆質(zhì)量約為260倍太陽(yáng)質(zhì)量的第一代恒星的超新星爆發(fā)。

“這一發(fā)現(xiàn)首次證實(shí)了第一代恒星的質(zhì)量可以達(dá)到260倍太陽(yáng)質(zhì)量，這是迄今觀測(cè)確認(rèn)的質(zhì)量最大的第一代恒星，刷新了人們對(duì)第一代恒星質(zhì)量分布的認(rèn)知，對(duì)研究早期宇宙的化學(xué)演化以及恒星考古具有重要的科學(xué)意義。”論文通訊作者趙剛說(shuō)。

第一代恒星遺跡孕育第二代恒星藝術(shù)想象圖。

貧金屬星繼承第一代恒星的“化學(xué)DNA”

按照現(xiàn)代宇宙學(xué)理論，138億年前大爆炸產(chǎn)生了宇宙，在宇宙剛誕生的一段時(shí)間內(nèi)，到處都是一片黑暗，直到1億—2億年后，才出現(xiàn)了古老的第一代恒星，發(fā)出照亮宇宙的第一縷曙光。

第一代恒星或者它們的化學(xué)遺跡，如同“化石”般記錄著宇宙最古老的歷史。找到它們，對(duì)于了解宇宙大爆炸后早期發(fā)生的故事具有重要意義。“然而，第一代恒星的壽命極短，只存在于遙遠(yuǎn)的宇宙之中，直接觀測(cè)到第一代恒星的難度極大。”論文第一作者邢千帆博士說(shuō)。

雖然直接觀測(cè)難度極大，但是已經(jīng)“死亡”的第一代恒星留下的遺跡，為天文學(xué)家研究第一代恒星打開了一扇窗。

宇宙大爆炸后只產(chǎn)生了氫、氦和極少量的鋰元素。因此，第一代恒星誕生于幾乎不含有任何金屬元素的氣體環(huán)境中，幾百萬(wàn)年后，第一代恒星以劇烈的超新星爆發(fā)結(jié)束一生，在其噴射出的物質(zhì)中形成了下一代恒星也即貧金屬星。貧金屬星繼承了其“父輩”恒星的“化學(xué)DNA”。

因此，長(zhǎng)期以來(lái)，銀河系考古研究領(lǐng)域的專家一直致力于通過(guò)尋找貧金屬星來(lái)研究第一代恒星的性質(zhì)和特征。

理論研究表明，第一代恒星的質(zhì)量可以超過(guò)100倍太陽(yáng)質(zhì)量，但人們一直未發(fā)現(xiàn)觀測(cè)證據(jù)。通常小于100倍太陽(yáng)質(zhì)量的第一代恒星都以核坍縮型超新星爆發(fā)的形式結(jié)束生命；而介于140—260倍太陽(yáng)質(zhì)量的第一代恒星，其核心處產(chǎn)生的正負(fù)電子對(duì)會(huì)減弱恒星內(nèi)部的輻射壓力，并導(dǎo)致恒星坍縮形成一種特殊的超新星——對(duì)不穩(wěn)定超新星。

第一代超大質(zhì)量恒星演化成為對(duì)不穩(wěn)定超新星的藝術(shù)展示圖。

證實(shí)初代恒星能達(dá)到數(shù)百倍太陽(yáng)質(zhì)量

與核坍縮型超新星爆發(fā)的產(chǎn)物相比，理論預(yù)言對(duì)不穩(wěn)定超新星爆發(fā)的產(chǎn)物擁有極為特殊的化學(xué)元素組成，最主要的特征是原子序數(shù)為奇數(shù)的元素含量遠(yuǎn)小于相鄰的原子序數(shù)為偶數(shù)的元素含量，這被稱為“奇偶效應(yīng)”。

“也就是說(shuō)，由對(duì)不穩(wěn)定超新星爆發(fā)的產(chǎn)物演化形成的第二代恒星，也會(huì)呈現(xiàn)出罕見的化學(xué)豐度模式，這為尋找第一代超大質(zhì)量恒星的化學(xué)遺跡提供了線索。然而，天文學(xué)家此前從未找到對(duì)不穩(wěn)定超新星爆發(fā)的觀測(cè)證據(jù)。”邢千帆坦言。

依托LAMOST低分辨率光譜和日本昴星團(tuán)（Subaru）望遠(yuǎn)鏡高分辨率光譜數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)了一顆化學(xué)元素含量極為特殊的恒星。

研究發(fā)現(xiàn)，這是目前已知恒星中鈉元素含量最低的恒星。該恒星的元素豐度還顯示出了強(qiáng)烈的“奇偶效應(yīng)”。此外，該恒星基本不含鍶、鋇等中子俘獲元素，幾乎未受到中子俘獲過(guò)程的影響。

這些化學(xué)特征無(wú)法通過(guò)核坍縮超新星理論模型來(lái)解釋，卻與260倍太陽(yáng)質(zhì)量的第一代恒星坍縮形成的對(duì)不穩(wěn)定超新星理論計(jì)算結(jié)果高度吻合。

“這意味著，我們找到了對(duì)不穩(wěn)定超新星存在的觀測(cè)證據(jù)，也證實(shí)了第一代恒星的質(zhì)量可以達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的數(shù)百倍。”趙剛解釋道，這項(xiàng)成果對(duì)研究第一代恒星的初始質(zhì)量函數(shù)意義重大，并將對(duì)元素起源、宇宙早期的恒星形成和星系化學(xué)演化等方面的研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

對(duì)此，《自然》審稿人評(píng)價(jià)，該成果第一次為對(duì)不穩(wěn)定超新星與銀暈恒星化學(xué)豐度之間的聯(lián)系提供了決定性的關(guān)鍵證據(jù)。未來(lái)趙剛團(tuán)隊(duì)期待利用LAMOST和中國(guó)空間站工程巡天望遠(yuǎn)鏡能夠發(fā)現(xiàn)更多化學(xué)豐度特殊的恒星，通過(guò)分析第一代恒星遺跡，進(jìn)一步確定恒星初始質(zhì)量函數(shù)，加深對(duì)銀河系形成與演化歷史的理解。

（中科院國(guó)家天文臺(tái)供圖）

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