科技日報記者 陸成寬
理論預言，宇宙早期第一代恒星的質量可以超過100倍太陽質量。然而，遺憾的是，天文學家此前從未在觀測上予以證實。
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這次，我國天文學家找到了此類恒星曾經存在的“實錘”！6月7日，《自然》在線發表了中科院國家天文臺趙剛研究員團隊的一項最新研究成果。依托郭守敬望遠鏡（LAMOST）獲取的海量恒星光譜數據，他們在銀河系暈中發現一顆化學特征獨特的恒星，其化學元素豐度表明，形成該恒星的物質源自一顆質量約為260倍太陽質量的第一代恒星的超新星爆發。
“這一發現首次證實了第一代恒星的質量可以達到260倍太陽質量，這是迄今觀測確認的質量最大的第一代恒星，刷新了人們對第一代恒星質量分布的認知，對研究早期宇宙的化學演化以及恒星考古具有重要的科學意義。”論文通訊作者趙剛說。
第一代恒星遺跡孕育第二代恒星藝術想象圖。
貧金屬星繼承第一代恒星的“化學DNA”
按照現代宇宙學理論，138億年前大爆炸產生了宇宙，在宇宙剛誕生的一段時間內，到處都是一片黑暗，直到1億—2億年后，才出現了古老的第一代恒星，發出照亮宇宙的第一縷曙光。
第一代恒星或者它們的化學遺跡，如同“化石”般記錄著宇宙最古老的歷史。找到它們，對于了解宇宙大爆炸后早期發生的故事具有重要意義。“然而，第一代恒星的壽命極短，只存在于遙遠的宇宙之中，直接觀測到第一代恒星的難度極大。”論文第一作者邢千帆博士說。
雖然直接觀測難度極大，但是已經“死亡”的第一代恒星留下的遺跡，為天文學家研究第一代恒星打開了一扇窗。
宇宙大爆炸后只產生了氫、氦和極少量的鋰元素。因此，第一代恒星誕生于幾乎不含有任何金屬元素的氣體環境中，幾百萬年后，第一代恒星以劇烈的超新星爆發結束一生，在其噴射出的物質中形成了下一代恒星也即貧金屬星。貧金屬星繼承了其“父輩”恒星的“化學DNA”。
因此，長期以來，銀河系考古研究領域的專家一直致力于通過尋找貧金屬星來研究第一代恒星的性質和特征。
理論研究表明，第一代恒星的質量可以超過100倍太陽質量，但人們一直未發現觀測證據。通常小于100倍太陽質量的第一代恒星都以核坍縮型超新星爆發的形式結束生命；而介于140—260倍太陽質量的第一代恒星，其核心處產生的正負電子對會減弱恒星內部的輻射壓力，并導致恒星坍縮形成一種特殊的超新星——對不穩定超新星。
第一代超大質量恒星演化成為對不穩定超新星的藝術展示圖。
證實初代恒星能達到數百倍太陽質量
與核坍縮型超新星爆發的產物相比，理論預言對不穩定超新星爆發的產物擁有極為特殊的化學元素組成，最主要的特征是原子序數為奇數的元素含量遠小于相鄰的原子序數為偶數的元素含量，這被稱為“奇偶效應”。
“也就是說，由對不穩定超新星爆發的產物演化形成的第二代恒星，也會呈現出罕見的化學豐度模式，這為尋找第一代超大質量恒星的化學遺跡提供了線索。然而，天文學家此前從未找到對不穩定超新星爆發的觀測證據。”邢千帆坦言。
依托LAMOST低分辨率光譜和日本昴星團（Subaru）望遠鏡高分辨率光譜數據，研究人員發現了一顆化學元素含量極為特殊的恒星。
研究發現，這是目前已知恒星中鈉元素含量最低的恒星。該恒星的元素豐度還顯示出了強烈的“奇偶效應”。此外，該恒星基本不含鍶、鋇等中子俘獲元素，幾乎未受到中子俘獲過程的影響。
這些化學特征無法通過核坍縮超新星理論模型來解釋，卻與260倍太陽質量的第一代恒星坍縮形成的對不穩定超新星理論計算結果高度吻合。
“這意味著，我們找到了對不穩定超新星存在的觀測證據，也證實了第一代恒星的質量可以達到太陽質量的數百倍。”趙剛解釋道，這項成果對研究第一代恒星的初始質量函數意義重大，并將對元素起源、宇宙早期的恒星形成和星系化學演化等方面的研究產生深遠影響。
對此，《自然》審稿人評價，該成果第一次為對不穩定超新星與銀暈恒星化學豐度之間的聯系提供了決定性的關鍵證據。未來趙剛團隊期待利用LAMOST和中國空間站工程巡天望遠鏡能夠發現更多化學豐度特殊的恒星，通過分析第一代恒星遺跡，進一步確定恒星初始質量函數，加深對銀河系形成與演化歷史的理解。
（中科院國家天文臺供圖）
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