恒星考古:發現原始巨星蹤跡

在還原人類的歷史時,我們可以借助碳-14確定準確時間,可以考察遺跡復原生活狀態,可以翻閱古籍知曉來龍去脈……但宇宙的歷史,靠什么復原呢?科學家的最新研究揭開了恒星考古的序幕,發現了宇宙最原始恒星的蹤跡。

科學家們通過模擬早就預測到,第一批恒星中的某些恒星是非常巨大的,質量超過太陽質量的100倍,在僅僅幾百萬年的時間里就經歷了生存和死亡——這個時間在宇宙中相當于一眨眼的功夫。但天文學家們一直沒有發現第一批恒星存在的跡象。他們只能推測,那些恒星可能是在宇宙大爆炸發生之后最初的幾億年里形成的,由氫、氦和微量的鋰構成。隨著那些恒星作為超新星爆炸之后,產生了第一批重元素,通過這些重元素演化出了后來的星系和恒星。

目前,利用一項被稱為“恒星考古”的技術,日本國家天文臺的Wako Aoki及同事發現了這種恒星的首個跡象,這種跡象保存在其遠古后代的化學成分中。第一代恒星的遺跡存在于一顆叫做SDSS J0018-0939的恒星中,其中的化學成分表明該恒星形成于一個氣團,氣團是由一顆非常巨大的恒星爆炸后所產生的材料構成的。不久前,這項研究成果發表在《科學》雜志上。

第二代恒星燃燒較慢,已經存在了大約130億年,它們中含有微量較重的元素,這表明這些恒星是由一種氣體聚結而成的,以前的一顆或數顆超新星產物使這種氣體豐富起來。“這就像柜櫥里層的罐子中所盛的豆子,它們永遠在那里呆著,但你可以隨時打開。”劍橋市麻省理工學院的天體物理學家Anna Frebel說,“通過研究,科學家們能夠將形成恒星的氣團成分搞清,進而可以了解哪些成分以及其中有多少成分來自于第一批恒星。”

Aoki說:“第二代恒星這種化學特性是非常引人矚目的。”跟鐵之類的較重元素相比,這顆恒星碳、鎂和鈣等較輕元素的豐度很低。研究論文的作者們稱:對于這種特性,最有可能的解釋就是一種叫做“不穩定對超新星”的特大質量恒星發生了爆炸。

當恒星的核心溫度變得非常高時,成對的光子變成成對的電子和正電子,這時就會形成不穩定對超新星。結果,外表壓力下降引起恒星產生明顯的塌縮,發生巨大的熱核爆炸。Aoki稱,這種爆炸會將恒星撕裂,產生研究小組發現的高濃度鐵和少量的較輕元素。Frebel說:另一方面,較低能量的超新星會產生極少量的鐵和較多較輕的元素。盡管外層被炸掉,較重的元素被吸回核心處,形成黑洞。

Aoki說:“盡管這顆恒星的概況表明它更有可能形成于一次巨型爆炸后的殘骸,而不是形成于更加傳統的超新星,但是這種解釋并不確切,一些有特征的元素仍然沒有得到解釋,或許當模擬系統改進之后這個問題就能夠得到解決。”

馬薩諸塞州劍橋市哈佛-史密森天體物理中心的理論天體物理學家Thomas Greif表示:這個研究成果是令人興奮的。但是,他還警告說:這并不意味著理論家們就可以宣告勝利了。他說:“目前,這只是一顆恒星,而且這并不意味著所有這些恒星都是以這種方式爆炸的。”

Aoki的研究小組估計,在含有微量重元素的恒星中,每500顆恒星中有1顆可能形成于巨型恒星的殘骸。目前,研究人員正在觀察更多恒星的化學特征,進一步搜尋其他的例證。如果這種恒星如此普遍,使用定于2018年發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡,或者利用下一代的大型地面望遠鏡,未來的天文觀測通過來自最遙遠星系的遠古光線,甚至能夠直接觀察到這種巨型恒星作為超新星死亡的現象。Aoki補充說:“如果那樣的話,就可以最終證實第一代巨型恒星的存在。”