宇宙上古時代的產物:天文學家在宇宙深處,看到了第三類恒星

天空之城 2022/10/05 檢舉 我要評論

138億年前,奇點的平衡被某種未知的原因打破, 發生了巨大的爆炸,時間與空間由此誕生,同時帶來的還有如今宇宙中所有的物質。

爆炸之初,物質只能以電子光子和中微子等基本粒子的形態存在, 50萬年后,熾熱的輻射逐漸冷卻下來,背景溫度下降到3000攝氏度左右,這時中性原子不再被電離,引力開始發揮它的主導作用。

此時宇宙中的主要成分為氣態物質,其中氫元素占據了宇宙物質總量的92%,其余為氦元素與不到1%的鋰元素,早期宇宙中的金屬元素非常少,這也就決定了在那時誕生的恒星金屬豐度會非常低,它們統稱為宇宙的第一代恒星。

恒星因其質量的不同,毀滅時的劇烈程度和留下的殘骸也不同,大于太陽8倍質量的恒星會在死亡后產生超新星爆發,這是當今宇宙中最強的能量釋放活動之一,爆發一瞬間所釋放的能量等于太陽一生中釋放的能量總和,并且爆炸的物質會以光速的十分之一向外擴散,能夠瞬間摧毀50光年之內的任何生物。

不過第一代恒星因其成分的特殊性,它和普通超新星爆發的機制和遺留物都有很大不同,同等質量下, 第一代恒星中超新星爆發釋放的能量是普通超新星的10到100倍,它們消亡的方式是當下的宇宙無法復刻的。

第一代恒星大多只存在于宇宙誕生后的1到3億年左右,今天的宇宙中很難看到第一代恒星,因為它們早已消亡殆盡,但很難不代表不可能,通過空間望遠鏡向宇宙深處的窺探,我們也可以看見百億年前的光芒。

天文學家使用北天雙子座望遠鏡對一個十分遙遠的類星體進行觀察時,發現它周邊的宇宙空間存在著一個奇特的星際云團,它的化學特征與當下常規云團有所不同。

類星體看起來很像恒星,它會散發超強的光芒,不過它并不是恒星,本質上它是一種星系,中心是一個超大質量黑洞, 一般來說類星體的體積比星系要小,但黑洞吞噬物質過程中會釋放巨大的能量,威力足以達到普通星系的上千倍,使得望遠鏡在百億光年之外也可以觀察到它。

本次發現的類星體來自遙遠的131億光年之外,也就是說它發出的光在宇宙中走了131億年才到達地球,而我們看到的它的樣子是百億年前的,那時距離宇宙創生僅僅過去了不到7億年。

研究人員在對它周圍云團進行觀察時,發現云團中化學元素鐵鎂比例異常偏高, 是常規狀態下的10倍左右,據此推斷,科學家認為這個云團是宇宙中第一代恒星爆發后的遺骸。

第一代恒星缺乏金屬元素,所以只能通過p-p鏈進行核反應。這種反應鏈的產能效率比較低,恒星內核會持續收縮并升高中心的溫度, 較高的溫度使氦的3a反應過程開始,合成少量的重元素,以此循環維持自己在主序星的階段。

因此第一代恒星的內部溫度和表面溫度都會更高,光譜中的高能部分也會占比更大。

根據估算,這顆第一代恒星的質量大約是太陽的 300倍,臨終時發生的大爆炸讓它成為了一顆不穩定的超新星。

普通的超新星爆炸是內部核聚變停止,無法抵抗自身引力向內坍縮引發的爆炸,最后留下一顆中子星或黑洞, 而不穩定的超新星則有所不同。

不穩定的超新星一開始同樣也是向內坍縮,后面的情況就有所不同了,塌縮造成核心過度的壓縮,內部的光子衰變為電子和正電子對,超壓力使核分裂失控,在數秒鐘內就使核心的原子核完全燃燒,創造熱核爆炸,整體開始急速崩潰,更多的熱能釋放超越了重力勢能。

最后恒星完全地被毀滅,沒有黑洞也沒有中子星, 所有殘骸都被拋向了太空,成為一片擴散的云團。

根據現有理論來看,早期宇宙并不支持塵埃和重元素出現,倒是不穩定對超新星會在爆發時向外拋灑金屬元素,這就意味著現在的一些遠古星系都是第一代恒星的后代,它們中的塵埃和元素,都來自于第一代恒星超新星爆發后釋放的能量。

早期的第一代恒星質量一般都比較大,內部核聚變反應也更加迅猛,因此壽命也相對短一些。

不過也有一些例外,形成一部分小質量的一代恒星, 這些小質量恒星壽命有些可以達到百億年,個別紅矮星甚至擁有千億年的壽命,宇宙中仍然有它們的痕跡。

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