寻找宇宙初生恒星困难重重,但总算找到线索

初生恒星预估约宇宙1亿岁时诞生,还不到现在宇宙年1%。第一代恒星天文物理学也称为恒星族III(按:依金属丰度比例分类,恒星族I如太阳;恒星族II常见于球状星团老恒星,金属含量丰度较少;恒星族III则除氢和氦外,其他金属丰度更低)。天文物理理论认为,第一代恒星形成时的大质量,导致恒星生命周期走到超新星爆炸时,炸出来的元素会传播星际空间。然几十年天文学家孜孜不倦搜索,还是没找到初生恒星存在的直接证据。

发布于《The Astrophysical Journal》天文物理学期刊的新成果,天文学家使用近红外光谱仪,于双子星天文台其一口径8.1米的望远镜,观测数颗已知最遥远的类星体。借分析类星体周围云气光谱,发现不寻常组成:含铁量比太阳多20倍,镁铁(Mg/Fe)比例出奇地低。

科学家相信这特征,是来自第一代恒星以不稳定对超新星(Pair-instability supernova)形态爆炸留下。估计该恒星约太阳质量150~250倍巨型恒星。与其他超新星不同的是,不会原处留下残骸(如中子星或黑洞),而是将所有物质抛出。因此要找到第一代恒星的方法,第一个是正巧观测到这类型爆炸事件(遇到可谓极其困难);第二是利用元素化学特征,辨别喷到星际空间的物质。但这也是件棘手的工作,因光谱亮度除了代表元素丰度,也含其他物理参数,需仔细校正。

为了寻找大质量恒星族III的存在证明,好几年前天文学家聚焦银河系银晕恒星,尝试回答难解之谜。这回从类星体光谱元素波长,利用强度估计元素丰度,由东京大学Yuzuru Yoshii和Hiroaki Sameshima与其他共同作者发布:“一个质量约300个太阳质量的恒星,以不稳定对超新星炸出镁铁比例,与我们这次观测类星体的元素分析结果一致”是令人振奋的成果,表示这方法可用于寻找初生恒星。

如今宇宙尽管大质量恒星III不复在,但留在星际空间的物质,可能依旧存在至今。为了更彻底解释新发现,还需要更多来源的观测结果,调查是否有相似特征。若确定这寻找第一代恒星的新工具,我们对宇宙演化的细节更能梳理清晰。

(首图为艺术家对早期宇宙大质量恒星III的印象图。来源:NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine)