当今宇宙中最大的恒星比我们的太阳大几百倍。最初的恒星质量可能是太阳的 100,000 倍。
Merrill Sherman/广达杂志
介绍
一组天文学家正在仔细研究詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST) 的数据，他们瞥见了遥远星系中稀有的氦同位素发出的光，这可能表明宇宙中存在第一代恒星。
这些寻找已久、名字不恰当的“第三族群”恒星可能是由宇宙的原始气体雕刻而成的巨大氢和氦球。理论家们在 1970 年代开始设想这些第一批火球，假设它们在短暂的生命周期后会爆炸成超新星，形成更重的元素并将它们喷入宇宙。这些恒星物质后来产生了重元素更丰富的第 II 星族恒星，然后是更丰富的第 I 星族恒星，如我们的太阳，以及行星、小行星、彗星，最终产生了生命本身。
“我们存在，因此我们知道一定有第一代恒星，”英国曼彻斯特大学的天文学家丽贝卡鲍勒说。
现在，北京中国科学院的天文学家王鑫和他的同事认为他们已经找到了它们。 “这真的很超现实，”王说。仍需确认；该团队的论文于 12 月 8 日发布在预印本服务器 arxiv.org上，正在等待Nature的同行评审。
即使研究人员错了，对第一批恒星的更有说服力的探测可能也不远了。 JWST 正在改变大量的天文学，被认为能够在足够远的空间和时间中看到它们。巨大的漂浮望远镜已经探测到遥远的星系，其不寻常的亮度表明它们可能包含第 III 星族恒星。与 JWST 竞争发现恒星的其他研究小组现在正在分析他们自己的数据。 “这绝对是最热门的问题之一，”加州大学圣地亚哥分校的物理学家迈克诺曼说，他在计算机模拟中研究恒星。
一项明确的发现将使天文学家能够开始探索恒星的大小和外观、它们存在的时间，以及它们如何在原始黑暗中突然亮起。
“这确实是宇宙历史上最根本的变化之一，”鲍勒说。
第三人口
北京中国科学院的天文学家王鑫在早期宇宙中检测到氦 2，这可能意味着存在 III 星族恒星。
大爆炸后大约 40 万年，电子、质子和中子稳定下来，足以结合成氢和氦原子。随着温度不断下降，暗物质逐渐聚集在一起，拉动原子。在团块内部，氢和氦被重力挤压，凝结成巨大的气体球，直到球的密度足够大时，核聚变突然在它们的中心点燃。第一颗星星诞生了。
德国天文学家沃尔特·巴德 (Walter Baade) 于 1944 年将我们银河系中的恒星分为I 型和 II 型。后者包含由较轻元素组成的较老恒星。几十年后，人口 III 恒星的想法进入了文献。英国天体物理学家伯纳德卡尔在 1984 年发表的一篇提高了他们知名度的论文中描述了这种原始恒星在早期宇宙中可能发挥的重要作用。 “它们的热量或爆炸可能使宇宙再电离，”卡尔和他的同事写道，“……它们产生的重元素可能产生了银河系前富集的爆发，”从而产生了更富含重元素的后来的恒星。
卡尔和他的合著者估计，由于早期宇宙中存在大量的氢气和氦气，恒星可能已经长到巨大的尺寸，比我们的太阳大几百到 100,000 倍。
那些在这个范围较重的一端，即所谓的超大质量恒星，会相对凉爽、红色和膨胀，其大小几乎可以涵盖我们整个太阳系。密度更大、尺寸更适中的第 III 星族恒星会发出蓝热光，表面温度约为 50,000 摄氏度，而我们的太阳只有 5,500 摄氏度。
2001 年，诺曼领导的计算机模拟解释了如此大的恒星是如何形成的。在现在的宇宙中，气体云分裂成许多小恒星。但模拟表明，早期宇宙中的气体云比现代云热得多，不容易凝结，因此在恒星形成方面效率较低。相反，整个云层会坍缩成一颗巨大的恒星。
它们巨大的比例意味着恒星的寿命很短，最多只能持续几百万年。 （更大质量的恒星会更快地消耗掉它们可用的燃料。）因此，第 III 族群的恒星在宇宙的历史中不会持续很长时间——也许只有几亿年，因为最后一批原始气体已经消散。
有很多不确定因素。这些恒星到底有多大？它们存在于宇宙中有多晚？它们在早期宇宙中的数量有多少？ “它们与我们银河系中的恒星完全不同，”鲍勒说。 “它们就是如此有趣的物体。”
英国曼彻斯特大学的天文学家丽贝卡鲍勒研究早期宇宙中星系的形成和演化。
安东尼霍洛威/曼彻斯特大学
介绍
由于它们相距甚远且存在时间如此短暂，因此为它们寻找证据一直是一项挑战。然而，在 1999 年，科罗拉多大学博尔德分校的天文学家预测，这些恒星应该会产生一个明显的特征：来自氦 2 的特定频率的光。这种不稳定形式的氦在其原子核中只包含两个质子，而普通的氦也有两个中子。曼彻斯特大学的天文学家 James Trussler 解释说：“氦气的排放实际上并不是来自恒星本身。”相反，它是在来自恒星热表面的高能光子进入恒星周围的气体时产生的。
“这是一个相对简单的预测，”日内瓦大学的 Daniel Schaerer 说，他在 2002 年扩展了这个想法。狩猎开始了。
寻找第一颗星星
2015 年，Schaerer 和他的同事认为他们可能找到了一些东西。他们在一个遥远的原始星系中检测到可能存在氦 2 特征的迹象，该星系可能与一组第 III 星族恒星有关。在宇宙大爆炸 8 亿年后出现的这个星系看起来似乎包含了宇宙中第一颗恒星的第一个证据。
后来由 Bowler 领导的工作对调查结果提出异议。 “我们从源头找到了氧气排放的证据。这排除了纯粹的人口 III 情景，”她说。然后，一个独立小组未能检测到最初团队看到的氦 2 线。 “它不在那里，”鲍勒说。
其他人能过得更好吗？
天文学家将希望寄托在 2021 年 12 月发射的 JWST 上。这架望远镜拥有巨大的镜子和对红外光前所未有的敏感度，比之前的任何望远镜都更容易窥视早期宇宙。 （因为光在这里传播需要时间，所以望远镜可以看到很久以前出现的微弱、遥远的物体。）望远镜还可以进行光谱分析，将光分解成其组成波长，这使得它能够寻找氦 2 的标志人口 III 恒星。
Wang 的团队分析了 JWST 的 2,000 多个目标的光谱数据。一个是在大爆炸后仅 6.2 亿年出现的遥远星系。据研究人员称，银河系被分成两部分。他们的分析表明，其中一半似乎具有氦 2 与来自其他元素的光混合的关键特征，可能指向数千颗星族 III 和其他恒星的混合星群。对银河系后半部分的光谱分析尚未完成，但它的亮度暗示着一个人口 III 更丰富的环境。
“我们正试图在下一个周期为 JWST 申请观测时间，以覆盖整个星系，”王说，以便“有机会确认此类物体。”
根据诺曼的说法，银河系是一个“令人头疼的问题”。如果氦 2 的结果经得起推敲，他说，“一种可能性是星族 III 星团。”然而，他不确定第 III 族群的恒星和后来的恒星是否会如此轻易地混合在一起。
亚利桑那州立大学的 Rogier Windhorst 正在使用引力透镜试图放大早期宇宙中第 III 星族恒星的图像。 “我们已经有了一些候选人，”他说。
查理·莱特/亚利桑那州立大学新闻
介绍
朴茨茅斯大学的天体物理学家Daniel Whalen同样持谨慎态度。 “这绝对可能是一个星系中混合了第 III 族群和第 2 族群恒星的证据，”他说。然而，Whalen 说，虽然这将是宇宙第一颗恒星的“第一个直接证据”，但“它不是明确的证据”。其他滚烫的宇宙物体可以产生类似的氦 2 特征，包括围绕黑洞旋转的灼热物质盘。
王认为他的团队可以排除黑洞作为来源，因为他们没有检测到在这种情况下预期的特定氧、氮或电离碳特征。然而，这项工作仍在等待同行评审，即便如此，后续观察也需要确认其潜在发现。
热在路上
其他使用 JWST 的团队也在寻找第一批恒星。
除了寻找氦 2 外，亚利桑那州立大学天文学家 Rogier Windhorst 及其同事于 2018 年提出的另一种搜索方法是利用巨大星系团的引力来观察早期宇宙中的单个恒星。使用像星团这样的大质量物体来扭曲光线并放大更远的物体（一种称为引力透镜的技术）是天文学家获取遥远星系视图的常用方法。 Windhorst 认为，即使是单个星族 III 恒星接近重星团的边缘，“原则上也可以进行近乎无限放大”并突然出现在视野中，他说。
Windhorst 领导的 JWST 项目正在尝试该技术。 “我非常有信心在一两年内我们会看到一些，”他说。 “我们已经有了一些候选人。”同样，意大利国家天体物理研究所的天文学家 Eros Vanzella 正在领导一项计划，该计划正在使用引力透镜研究 10 或 20 颗候选星族 III 恒星。 “我们现在只是在玩弄数据，”他说。
并且仍然存在一种诱人的可能性，即 JWST 在早期宇宙中已经观测到的一些出乎意料的明亮星系可能将它们的亮度归功于大质量星族 III 恒星。 “这些正是我们预计第一批恒星形成的时代，”万泽拉说。 “我希望……在接下来的几周或几个月内，将探测到第一批恒星。”
原文： https://www.quantamagazine.org/astronomers-say-they-have-spotted-the-universes-first-stars-20230130/