宇宙中诞生的第一批恒星，能够被人类找到了

当今宇宙中最大的恒星比我们的太阳大几百倍。而宇宙最早的恒星品质能够是太阳的十万倍。图片来源：《量子杂志》/Merrill Sherman

一群天文学家正在仔细研究詹姆斯韦伯太空千里镜察看到的数据，它隐约捕捉到了附近银河系中电离氦收回的光，这能够表明宇宙中存留的第一代恒星已被创造。

这些追寻已久、命名随意的「第三星族星恒星」（Population III stars）能够是由宇宙原始气体产生的巨大氢氦球。理论家们在 20 世纪 70 年代便开始对这些首批大火球进行设想。假设它们在短暂的生命周期后会爆炸成超新星，产生更重的元素并将其喷入宇宙。这些恒星物质后来产生了重元素更丰富的第二星族恒星（ Population II stars），而后甚至产生了更丰富的第一星族恒星（Population I stars），如我们的太阳，以及行星、小行星、彗星，最终产生了生命本身。

「因为我们人类的存留，所以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 Rebecca Bowler 如是说。

现在，北京中科院的天文学家王鑫和他的同事认为他们已经找到了这些恒星，不过这个观点仍需确认。「这真的恍若梦幻，」王鑫提到。该团队的论文已于 12 月 8 日发布在预印版网站 arXiv 上，正在等待 《自然》杂志的同行评审。

即使这次研究人员观点有误，但对第一批恒星更有说服力的探测能够也不远了。JWST 正在大幅改变天文学探索，且被认为能够在足够附近的空间和久远的时间中看到这些恒星。此外，巨大的浮动千里镜也早已可察看到附近的星系，这些星系不寻常的亮度表明它们能够包含第三星族恒星。现在使用 JWST 察看恒星的其他科研小组也正争先恐后分析自己的数据。「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 Mike Norman 说，他正通过计算机仿真模拟来研究恒星。

一项权威可靠的创造将会使天文学家得以开始探索恒星的大小和外观、它们存留的时间，以及它们如何在原始的黑暗宇宙中突然亮起。

「这确实是在宇宙历史上最根本的变化之一，」Bowler 表示。

第三星族恒星（Population III）

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。数十年后，第三星族恒星的观点也被写入了文献。英国天体物理学家伯纳德・卡尔（Bernard Carr）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初期宇宙中能够发挥的重要作用。「它们的热量或爆炸能够使宇宙再电离，」卡尔和他的同事写道，「…… 产生的重元素能够加速了前银河系的元素富集，」从而产生了后来更富含重元素的恒星。

卡尔和他的合著者推测，由于初期宇宙中存留大量的氢气和氦气，产生的恒星能够已经拥有浩瀚无际的尺寸，因而应该随处都可以测量到太阳大几百乃至十万倍的恒星。

北京中科院的天文学家王鑫在初期宇宙中检测到氦 II，这能够表明宇宙中存留第三星族恒星。

那些属于较重范畴那类的恒星，即所谓的超大品质恒星，它们表面温度会相对较低、表现为红色和膨胀的状态，其大小几乎可以等同于我们整个太阳系。密度更大、大小更适中的第三星族星变体会收回滚烫的蓝光，表面温度约为 5 万摄氏度，而相较而言，我们的太阳表面只有 5500 摄氏度。

2001 年，Norman 通过计算机仿真解释了如此大的恒星是如何产生的。在目前的宇宙中，气体云分裂成许多小恒星。但仿真模拟表明，初期宇宙中的气体云比现代的气体云热得多，不能像如今这样容易凝结，因此在恒星产生时效率较低。相反，整个气体云会坍塌产生一颗单独的巨星。

这些恒星巨大的品质意味着其生命周期是短暂的，最多只能持续几百万年（更大品质的恒星总能更快地燃烧掉可用的燃料）。因此，第三星族星在宇宙历史上将不会存续太长时间 —— 或许只会存留数亿年，直至最后一批原始气体的消散殆尽为止。

其实还有很多问题存留大量的不确定性。这些恒星的品质究竟有多大？它们在宇宙中存留的时间最晚是何时？在初期的宇宙中，它们有多丰富？Bowler 说：“它们与我们银河系中的恒星完全不同，真是太有趣了。”

英国曼彻斯特大学天文学家 Rebecca Bowler 研究了初期宇宙中银河系的产生和演化。图片来自 Anthony Holloway / 曼彻斯特大学

因为它们距离太远，存留时间太短，所以追寻与它们相关的凭证一直是一个挑战。然而在 1999 年，科罗拉多大学博尔德分校的天文学家预测，恒星应该会产生一个会泄露存留迹象的旗号：当每个原子的剩余电子在能级之间跃迁时，氦 II 或缺少电子的氦原子收回的光会具有特定的频率。曼彻斯特大学的天文学家 James Trussler 解释说：氦收回的光实际上并非来自恒星本身，相反，它是恒星热表面的高能光子冲入恒星周围的气体时产生的。

日内瓦大学的 Daniel Schaerer 在 2002 年对这一观点进行了扩展，他说：「这是一个相对简单的预测」，对这些凭证的搜寻正式开始了。

追寻第一代恒星

2015 年，Schaerer 和他的同事们认为他们能够追寻到了什么。他们在一个附近的原始星系中创造了一个氦 II 旗号的能够线索，而这个星系能够与一群第三星族星有关。从大爆炸 8 亿年后的样子来看，这个星系似乎包含了宇宙中第一代恒星的第一个凭证。

Bowler 后来主导的研究对这些创造提出了质疑。她说：「我们从源头上创造了有氧元素的凭证。这排除了纯粹的第三星族星预测的能够性。」随后，一个独立的小组未能探测到最早的团队创造的氦 II 线索。「它不在那里，」Bowler 说。

其他人的探寻境况会好一些吗？

天文学家将他们的希望寄托在 2021 年 12 月装载好的詹姆斯韦伯太空千里镜（JWST）上。这架千里镜拥有巨大的镜体和对红外光前所未有的灵敏度，可以比之前的任何千里镜都更容易地观察初期宇宙。因为光传播需要时间，所以尽管它们出现在很久以前，千里镜仍然可以看到附近的微弱物体。此外，千里镜还可以进行光谱分析，将光分解成其组成波长，这使它能够追寻第三星族星的氦 II 标志。

王鑫的团队分析了 JWST 2000 多个察看目标的光谱数据。其中一个是大爆炸后 6.2 亿年才出现的附近星系。根据研究人员的说法，这个星系被分成两部分。他们的分析表明，其中一半星系似乎含有氦 II 的关键旗号，其中还混合着其它元素收回的光，这能够意味着它们是数千颗第三星族星和其他恒星的混合星族。此外，对星系另一半部分的光谱分析尚未完成，但它的亮度暗示着这是一个更富第三星族星的环境。

「我们正在努力申请使用 JWST 下一个周期的察看时间来覆盖察看整个星系，以便有机会来确认这些天体，」王鑫如是说。

根据 Norman 的说法，这个星系是一个「令人头疼的地方」。他说，如果氦 II 的结果经得起推敲，“那么一种能够就是这个星系就是第三星族星群。” 然而，他不确定第三星族星和后来的恒星是否能如此轻易地混合在一起。

亚利桑那州立大学的 Rogier Windhorst 正在使用引力透镜来试图放大初期宇宙中第三星族星的图像。「我们已经有了一些候选的察看目标，」他说。图片来自 Charlie Leight/ASU 新闻。

英国朴次茅斯大学的天体物理学 Daniel Whalen 也同样谨慎。他说：「这确实能够是一个星系中混合了第三星族星和第二星族星的凭证。尽管这将能够是宇宙中第一代恒星的『第一个直接凭证』，然而这却并非确凿凭证。」其它滚烫的宇宙天体也可以产生类似的氦 II 旗号，包括旋绕在黑洞周围的灼热物质吸积盘。

王鑫认为，他的团队可以排除黑洞为该氦 II 旗号的来源的能够性，因为他们没有检测到特定的氧、氮或电离碳旗号，而这些是这种能够的预期条件。然而，这项工作仍有待同行审查，而且即便如此，后续观察也需要确认其潜在创造。

原文链接：

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