宇宙中诞生的第一批恒星，可能被人类找到了

选自quantamagazine

作(zuò)者：Jonathan O'Callaghan

机器之心编译

编辑：王(king)楷 、宇宙泽南

理论称，中z找第三星族星（Population III stars）为(wéi)宇宙带来了(le)光明和(hé)希望。ōngshēnderédà星星图片素材大图詹姆斯・韦伯太空望远镜（The James Webb Space Telescope，诞生g的第JWST）可(kě)能隐约观测到(dào)了(le)它们。ī批

当今宇宙中(zhōng)最大(dà)的恒星(de)恒星比我(wǒ)们的(de)太阳大(dà)几百倍 。而宇宙最早的被人(de)恒星质量可(kě)能是(shì)太阳的(de)十万倍。图片(piece)来源：《量子杂志》/Merrill Sherman

一(yī)群天文学家正在(zài)仔细(thin)研究詹姆斯韦伯太空望远镜观测到(dào)的宇宙(de)数据，它隐约捕捉到(dào)了(le)遥远银河系中(zhōng)电离氦发(fā)出(chū)的中z找(de)光，这(zhè)可(kě)能表明宇宙中(zhōng)存在(zài)的ōngshēnderédà(de)第一(yī)代恒星已被发(fā)现。

这(zhè)些寻找已久 、诞生g的第命名随意的ī批(de)「第三星族星恒星」（Population III stars）可(kě)能是(shì)由宇宙原始(beginning)气体形成(chéng)的(de)巨大(dà)氢氦球 。理论家们在(zài) 20 世纪 70 年(nián)代便开始(beginning)对(duì)这(zhè)些首批大(dà)火(fire)球进行设想
。恒星假设它们在(zài)短暂的被人(de)生(shēng)命周期后会(huì)爆炸成(chéng)超新星
，形成(chéng)更重的宇宙(de)元素并将其喷入宇宙。这(zhè)些恒星物质后来形成(chéng)了(le)重元素更丰富的(de)第二星族恒星（ Population II stars） ，而后甚至形成(chéng)了(le)更丰富的(de)第一(yī)星族恒星（Population I stars）  ，如我(wǒ)们的星星图片素材大图(de)太阳，以(yǐ)及行星 、小行星 、彗星，最终产生(shēng)了(le)生(shēng)命本身。

「因为(wéi)我(wǒ)们人(rén)类的(de)存在(zài)，所以(yǐ)我(wǒ)们知道一(yī)定有(yǒu)第一(yī)代恒星，」英国(guó)曼彻斯特大(dà)学的(de)天文学家 Rebecca Bowler 如是(shì)说
。

现在(zài)，北京(Beijing)中(zhōng)科院的(de)天文学家王(king)鑫和(hé)他(tā)的(de)同(tóng)事认为(wéi)他(tā)们已经找到(dào)了(le)这(zhè)些恒星，不(bú)过这(zhè)个(gè)观点仍需确认
。「这(zhè)真的(de)恍若梦幻
，」王(king)鑫提到(dào)。该(Should)团队的(de)论文已于(yú) 12 月 8 日发(fā)布在(zài)预印版网站 arXiv 上(shàng)，正在(zài)等待 《自然》杂志的(de)同(tóng)行评审。

即使这(zhè)次研究人(rén)员观点有(yǒu)误，但对(duì)第一(yī)批恒星更有(yǒu)说服力的(de)探测可(kě)能也(yě)不(bú)远了(le)。JWST 正在(zài)大(dà)幅改变天文学探索，且被认为(wéi)能够在(zài)足够遥远的(de)空间和(hé)久远的(de)时间中(zhōng)看到(dào)这(zhè)些恒星 。此外  ，巨大(dà)的(de)浮动(dòng)望远镜也(yě)早已可(kě)观测到(dào)遥远的(de)星系，这(zhè)些星系不(bú)寻常的(de)亮度表明它们可(kě)能包(Bag)含第三星族恒星 。现在(zài)使用 JWST 观测恒星的(de)其他(tā)科研小组也(yě)正争先恐后分(fèn)析自己的(de)数据 。「这(zhè)绝对(duì)是(shì)最热门的(de)问题之一(yī)，” 加州大(dà)学圣地(dì)亚哥分(fèn)校的(de)物理学家 Mike Norman 说，他(tā)正通过计算机仿真模拟来研究恒星 。

一(yī)项权威可(kě)靠的(de)发(fā)现将会(huì)使天文学家得以(yǐ)开始(beginning)探索恒星的(de)大(dà)小和(hé)外观
、它们存在(zài)的(de)时间，以(yǐ)及它们如何在(zài)原始(beginning)的(de)黑暗宇宙中(zhōng)突然亮起 。

「这(zhè)确实是(shì)在(zài)宇宙历史上(shàng)最根本的(de)变化之一(yī)，」Bowler 表示。

第三星族恒星（Population III）

德国(guó)天文学家沃尔特・巴德 (Walter Baade) 于(yú) 1944 年(nián)将我(wǒ)们银河系中(zhōng)的(de)恒星分(fèn)为(wéi) I 型(type)和(hé) II 型(type) 。后者包(Bag)含由较轻元素组成(chéng)的(de)较老恒星。数十年(nián)后，第三星族恒星的(de)观点也(yě)被写入了(le)文献。英国(guó)天体物理学家伯纳德・卡尔（Bernard Carr）在(zài) 1984 年(nián)发(fā)表的(de)一(yī)篇提高了(le)他(tā)们知名度的(de)论文中(zhōng)描述了(le)这(zhè)种原始(beginning)恒星在(zài)早期宇宙中(zhōng)可(kě)能发(fā)挥的(de)重要(yào)作(zuò)用。「它们的(de)热量或爆炸可(kě)能使宇宙再电离 ，」卡尔和(hé)他(tā)的(de)同(tóng)事写道
，「…… 产生(shēng)的(de)重元素可(kě)能加速了(le)前银河系的(de)元素富集 ，」从而形成(chéng)了(le)后来更富含重元素的(de)恒星 。

卡尔和(hé)他(tā)的(de)合著者推测，由于(yú)早期宇宙中(zhōng)存在(zài)大(dà)量的(de)氢气和(hé)氦气 ，形成(chéng)的(de)恒星可(kě)能已经拥有(yǒu)浩瀚无际的(de)尺寸，因而应该(Should)随处都可(kě)以(yǐ)测量到(dào)太阳大(dà)几百乃至十万倍的(de)恒星。

那些属(Subordinate)于(yú)较重范畴那类的(de)恒星，即所谓的(de)超大(dà)质量恒星 ，它们表面温度会(huì)相对(duì)较低、表现为(wéi)红(red)色和(hé)膨胀的(de)状(shape)态，其大(dà)小几乎可(kě)以(yǐ)等同(tóng)于(yú)我(wǒ)们整个(gè)太阳系。密度更大(dà)
、大(dà)小更适(suitable)中(zhōng)的(de)第三星族星变体会(huì)发(fā)出(chū)滚烫的(de)蓝光 ，表面温度约为(wéi) 5 万摄氏度 ，而相较而言，我(wǒ)们的(de)太阳表面只有(yǒu) 5500 摄氏度。

2001 年(nián)，Norman 通过计算机仿真解释了(le)如此大(dà)的(de)恒星是(shì)如何形成(chéng)的(de)。在(zài)目前的(de)宇宙中(zhōng)
，气体云分(fèn)裂成(chéng)许多小恒星 。但仿真模拟表明，早期宇宙中(zhōng)的(de)气体云比现代的(de)气体云热得多，不(bú)能像如今这(zhè)样容易(easy)凝结，因此在(zài)恒星形成(chéng)时效率较低。相反，整个(gè)气体云会(huì)坍塌形成(chéng)一(yī)颗单独的(de)巨星。

这(zhè)些恒星巨大(dà)的(de)质量意味着其生(shēng)命周期是(shì)短暂的(de) ，最多只能持续几百万年(nián)（更大(dà)质量的(de)恒星总能更快地(dì)燃烧掉可(kě)用的(de)燃料）。因此，第三星族星在(zài)宇宙历史上(shàng)将不(bú)会(huì)存续太长时间 —— 或许只会(huì)存在(zài)数亿年(nián) ，直至最后一(yī)批原始(beginning)气体的(de)消散殆尽为(wéi)止  。

其实还有(yǒu)很多问题存在(zài)大(dà)量的(de)不(bú)确定性。这(zhè)些恒星的(de)质量究竟有(yǒu)多大(dà) ？它们在(zài)宇宙中(zhōng)存在(zài)的(de)时间最晚是(shì)何时？在(zài)早期的(de)宇宙中(zhōng)，它们有(yǒu)多丰富？Bowler 说：“它们与我(wǒ)们银河系中(zhōng)的(de)恒星完全不(bú)同(tóng) ，真是(shì)太有(yǒu)趣了(le)。”

英国(guó)曼彻斯特大(dà)学天文学家 Rebecca Bowler 研究了(le)早期宇宙中(zhōng)银河系的(de)形成(chéng)和(hé)演化。图片(piece)来自 Anthony Holloway / 曼彻斯特大(dà)学

因为(wéi)它们距离太远 ，存在(zài)时间太短，所以(yǐ)寻找与它们相关的(de)证据一(yī)直是(shì)一(yī)个(gè)挑战。然而在(zài) 1999 年(nián)，科罗拉多大(dà)学博尔德分(fèn)校的(de)天文学家预测
，恒星应该(Should)会(huì)产生(shēng)一(yī)个(gè)会(huì)泄露存在(zài)迹象的(de)信号：当每个(gè)原子的(de)剩余电子在(zài)能级之间跃迁时 
，氦 II 或缺少电子的(de)氦原子发(fā)出(chū)的(de)光会(huì)具有(yǒu)特定的(de)频率 
。曼彻斯特大(dà)学的(de)天文学家 James Trussler 解释说
：氦发(fā)出(chū)的(de)光实际上(shàng)并非来自恒星本身
，相反，它是(shì)恒星热表面的(de)高能光子冲入恒星周围的(de)气体时产生(shēng)的(de) 。

日内瓦大(dà)学的(de) Daniel Schaerer 在(zài) 2002 年(nián)对(duì)这(zhè)一(yī)观点进行了(le)扩展，他(tā)说 ：「这(zhè)是(shì)一(yī)个(gè)相对(duì)简单的(de)预测」 ，对(duì)这(zhè)些证据的(de)搜寻正式开始(beginning)了(le)。

寻找第一(yī)代恒星

2015 年(nián)，Schaerer 和(hé)他(tā)的(de)同(tóng)事们认为(wéi)他(tā)们可(kě)能寻找到(dào)了(le)什么。他(tā)们在(zài)一(yī)个(gè)遥远的(de)原始(beginning)星系中(zhōng)发(fā)现了(le)一(yī)个(gè)氦 II 信号的(de)可(kě)能线索，而这(zhè)个(gè)星系可(kě)能与一(yī)群第三星族星有(yǒu)关
。从大(dà)爆炸 8 亿年(nián)后的(de)样子来看，这(zhè)个(gè)星系似乎包(Bag)含了(le)宇宙中(zhōng)第一(yī)代恒星的(de)第一(yī)个(gè)证据。

Bowler 后来主(zhǔ)导的(de)研究对(duì)这(zhè)些发(fā)现提出(chū)了(le)质疑 。她说
：「我(wǒ)们从源头上(shàng)发(fā)现了(le)有(yǒu)氧元素的(de)证据。这(zhè)排除了(le)纯粹的(de)第三星族星预测的(de)可(kě)能性 。」随后，一(yī)个(gè)独立的(de)小组未能探测到(dào)最早的(de)团队发(fā)现的(de)氦 II 线索  。「它不(bú)在(zài)那里，」Bowler 说。

其他(tā)人(rén)的(de)探寻境况会(huì)好一(yī)些吗 ？

天文学家将他(tā)们的(de)希望寄托在(zài) 2021 年(nián) 12 月装载好的(de)詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）上(shàng) 。这(zhè)架望远镜拥有(yǒu)巨大(dà)的(de)镜体和(hé)对(duì)红(red)外光前所未有(yǒu)的(de)灵敏度，可(kě)以(yǐ)比之前的(de)任何望远镜都更容易(easy)地(dì)观察早期宇宙。因为(wéi)光传播需要(yào)时间 ，所以(yǐ)尽管它们出(chū)现在(zài)很久以(yǐ)前，望远镜仍然可(kě)以(yǐ)看到(dào)遥远的(de)微弱物体
。此外，望远镜还可(kě)以(yǐ)进行光谱分(fèn)析 ，将光分(fèn)解成(chéng)其组成(chéng)波长  ，这(zhè)使它能够寻找第三星族星的(de)氦 II 标志。

王(king)鑫的(de)团队分(fèn)析了(le) JWST 2000 多个(gè)观测目标的(de)光谱数据 。其中(zhōng)一(yī)个(gè)是(shì)大(dà)爆炸后 6.2 亿年(nián)才出(chū)现的(de)遥远星系。根据研究人(rén)员的(de)说法，这(zhè)个(gè)星系被分(fèn)成(chéng)两部分(fèn)。他(tā)们的(de)分(fèn)析表明 ，其中(zhōng)一(yī)半星系似乎含有(yǒu)氦 II 的(de)关键信号，其中(zhōng)还混合着其它元素发(fā)出(chū)的(de)光 ，这(zhè)可(kě)能意味着它们是(shì)数千颗第三星族星和(hé)其他(tā)恒星的(de)混合星族。此外 ，对(duì)星系另一(yī)半部分(fèn)的(de)光谱分(fèn)析尚未完成(chéng)，但它的(de)亮度暗示着这(zhè)是(shì)一(yī)个(gè)更富第三星族星的(de)环境。

「我(wǒ)们正在(zài)努力申请使用 JWST 下一(yī)个(gè)周期的(de)观测时间来覆盖观测整个(gè)星系 ，以(yǐ)便有(yǒu)机会(huì)来确认这(zhè)些天体，」王(king)鑫如是(shì)说
。

根据 Norman 的(de)说法 ，这(zhè)个(gè)星系是(shì)一(yī)个(gè)「令人(rén)头疼的(de)地(dì)方」
。他(tā)说 ，如果氦 II 的(de)结果经得起推敲，“那么一(yī)种可(kě)能就(jiù)是(shì)这(zhè)个(gè)星系就(jiù)是(shì)第三星族星群
。” 然而 ，他(tā)不(bú)确定第三星族星和(hé)后来的(de)恒星是(shì)否能如此轻易(easy)地(dì)混合在(zài)一(yī)起。

亚利桑那州立大(dà)学的(de) Rogier Windhorst 正在(zài)使用引(lead)力透镜来试图放大(dà)早期宇宙中(zhōng)第三星族星的(de)图像
。「我(wǒ)们已经有(yǒu)了(le)一(yī)些候选的(de)观测目标
，」他(tā)说
。图片(piece)来自 Charlie Leight/ASU 新闻。

英国(guó)朴次茅斯大(dà)学的(de)天体物理学 Daniel Whalen 也(yě)同(tóng)样谨慎 。他(tā)说
：「这(zhè)确实可(kě)能是(shì)一(yī)个(gè)星系中(zhōng)混合了(le)第三星族星和(hé)第二星族星的(de)证据。尽管这(zhè)将可(kě)能是(shì)宇宙中(zhōng)第一(yī)代恒星的(de)『第一(yī)个(gè)直接证据』，然而这(zhè)却(but)并非确凿证据
。」其它滚烫的(de)宇宙天体也(yě)可(kě)以(yǐ)产生(shēng)类似的(de)氦 II 信号，包(Bag)括旋绕在(zài)黑洞周围的(de)灼热物质吸积盘 。

王(king)鑫认为(wéi) ，他(tā)的(de)团队可(kě)以(yǐ)排除黑洞为(wéi)该(Should)氦 II 信号的(de)来源的(de)可(kě)能性，因为(wéi)他(tā)们没有(yǒu)检测到(dào)特定的(de)氧
、氮或电离碳信号，而这(zhè)些是(shì)这(zhè)种可(kě)能的(de)预期条件。然而，这(zhè)项工(gōng)作(zuò)仍有(yǒu)待同(tóng)行审查(check)，而且即便如此
，后续观察也(yě)需要(yào)确认其潜在(zài)发(fā)现。

原文链接 ：

https://www.quantamagazine.org/astronomers-say-they-have-spotted-the-universes-first-stars-20230130/