質量是太陽300倍!131億光年外,第一代恒星遺跡疑似被發現

天空之城 2022/10/10 檢舉 我要評論

從138億年前形成至今,宇宙一共孕育了3代恒星。我們的太陽已經有46億歲了,它只是宇宙中的第3代恒星。還有一些恒星非常古老,年齡可能超過100億歲甚至更久,但也只是第二代恒星。

直到今天,天文學家們也沒有看見過第一代恒星。

它們到底在哪呢?又是什麼模樣的呢?

我們知道,宇宙大爆炸之初,連原子都沒有,只有游離的電子和質子,后來它們才結合為原子的。在這種情況下,它們能結合形成的原子基本都是氫,還有少量的氦和幾乎可以忽略的鋰。

因此,第一代恒星的組成結構里,幾乎只有氫。至于比鋰還重的物質,是不存在的。只有當第一代恒星死亡,超新星爆發的過程中,才會有更重的元素出現。于是,當第二代恒星形成的時候,就有一部分比較重的元素了。隨著第二代恒星再死亡,形成更多重元素,再孕育第三代恒星,重元素就更多了。

探測一顆恒星內部的成分并不難,天文學家通過對太陽的觀測,證明它包含的金屬元素比較多,屬于第三代恒星。至于只有氫的第一代恒星,至今沒有被發現。

第一代恒星是非常巨大的,其質量可能達到太陽的300倍以上!這麼巨大的恒星,按理說也會非常明亮,觀測起來更容易,為什麼仍然沒有被發現呢?

答案很簡單,因為越大的恒星,壽命越短,消失得越早。而且它們形成的時間也非常早,在宇宙大爆炸的僅僅1億年后就出現了。盡管人類的望遠鏡已經可以探測到135億光年的遙遠宇宙,仍然不足以看到遠在137億光年外的它們。

而且,它們所處的位置,宇宙膨脹速度也非常快。我們知道,在多普勒效應的作用下,這些恒星的波長也被拉到了可見光范圍以外,這就更難觀測了。

不過,天文學家找到了一個更好的辦法,那就是不直接觀測第一代恒星,而是觀測它們留下的痕跡。

由于體積和質量過于巨大,第一代恒星的死亡也很特別。普通的大質量恒星會通過超新星爆發的形式死亡,但它們的爆發屬于另一種特殊的超新星——不穩定對超新星。這種超新星威力非常驚人,普通的超新星還會留下中子星或者黑洞,這種超新星什麼都不會留下,會炸得灰飛煙滅。

這又是第一代恒星的另一大觀測難題,連遺體都沒剩下,那就只剩下最后的一絲線索了,那就是它們爆發出來的物質在宇宙中殘留的彌漫云。

最近,來自日本、澳大利亞和美國的研究人員在宇宙中發現了一種 「獨特的重元素混合物」。根據他們的分析,這種物質的來源除了第一代恒星之外,不可能是其他什麼天體。也就是說,他們觀測到的很有可能就是第一代恒星爆發時留下的彌漫云。

為了尋找這種彌漫云,研究人員借助了一種特殊的天體——類星體。所謂的類星體,就是一些遙遠星系核心處極其活躍的超大質量黑洞。它們在瘋狂吞噬的時候會釋放出極其明亮的光芒,穿越茫茫宇宙,被我們觀測到。

而且,類星體通常距離我們100億光年以外,是最有可能和第一代恒星爆發的彌漫云處在相同位置的天體。只要它們的光穿越彌漫云,傳播到地球上,就會被天文學家捕捉到。再利用光譜儀將這些光進行分解,就能夠分析出彌漫云內部含有哪些物質,判斷它是不是由第一代恒星的不穩定對超新星爆發形成的。

這個方法聽起來輕描淡寫,一筆帶過,實際上面臨著許多困難。且不提這些天體有多麼遙遠,在光譜分析的過程中,還有除了元素豐度之外的因素影響著分析結果。如何排除這些干擾因素,也是研究人員需要解決的。

東京大學的天文學家Yuzuru Yoshii和Hiroaki Sameshima提出了一種新的方法,那就是利用波長強度來對彌漫云內的元素普遍性進行分析,從而能夠確定這個彌漫云內的元素組成。

他們發現,在131億光年遠的一個類星體周圍,有一個非常特殊的彌漫云。根據光譜分析,其鎂與鐵的元素比遠低于我們的太陽系。

Yoshii指出:「對我來說,這很明顯就是一顆星族III星(第一代恒星)的不穩定對超新星。」

他還指出,這個彌漫云內的鎂鐵比非常符合一顆質量為太陽300倍的巨大恒星在不穩定對超新星爆發時所產生的的數據。也就是說,研究人員很可能發現了一片出現于宇宙大爆炸的僅僅7億年后的彌漫云。

Yoshii還說:早在2014年的時候,也曾經有至少一個關于第一代恒星爆發遺跡的證據被發現,但當時的證據遠不如這一次這麼可靠。

這次發現到底是不是來自于第一代恒星爆發的遺跡,仍然需要天文學家的進一步確認。如果能夠得到確認,那麼人類將不只是第一次發現第一代恒星的遺跡,更是找到了發現這些遺跡的方法,未來有望發現更多的遺跡。

這些都記錄著宇宙最古老的歷史,可以幫助天文學家了解宇宙大爆炸后到底發生了什麼。宇宙的誕生和演化歷程,正在一點點被天文學家勾勒出來。

相關研究已經發表在最新一期的《天體物理學雜志》上。

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