寻找宇宙初生恒星困难重重,总算找到线索了

发布单位:台北市立天文科学教育馆

  初生的恒星,估计在宇宙1亿岁时诞生,还不到现在宇宙年的1%。第一代恒星在天文物理学中也被称做恒星族III(编按:依金属丰度比例分类,恒星族I如太阳;恒星族II常见于球状星团内的老恒星,其金属含量丰度较少;恒星族III则是除了氢和氦,其他金属丰度更低)。天文物理理论认为,第一代恒星形成时的大质量,导致恆星的生命周期走到超新星爆炸时,所炸出来的元素会散布在星际空间。然而,几十年天文学家孜孜不倦地搜索,还是没有找到这些初生恒星存在的直接证据。

  发表于《The Astrophysical Journal》天文物理学期刊的新成果,天文学家使用近红外光谱仪,于双子星天文台,其一的口径8.1公尺望远镜,观测数颗已知最遥远的类星体。借由分析类星体周围云气的光谱,发现了不寻常的组成:其含铁量比太阳多了20倍,而镁铁[Mg/Fe]的比例则是出奇地低。

  科学家相信这特征,是来自第一代恒星以不稳定对超新星(Pair-instability supernova)的型态爆炸所留下。估计该颗恒星约为太阳质量150~250倍的巨型恒星。与其他超新星不同的是,它不会在原处留下残骸(例如中子星或黑洞),而是将所有物质抛出。因此要找到第一代恒星的方法,第一个是正巧观测到这类型的爆炸事件(要能遇到,可谓极其困难);第二个是利用其元素的化学特征,辨别出那些被喷到星际空间的物质。但这也是件棘手的研究工作,因为光谱线的亮度,除了代表元素的丰度,同时也包含了其他物理参数,还需仔细校正。

  为了寻找大质量恒星族III的存在证明,在好些年前,天文学家聚焦在银河系银晕中的恒星,尝试回答这难解之谜。而这回,从类星体光谱中元素的波长,利用其强度来估计该元素的丰度,由东京大学的Yuzuru Yoshii和Hiroaki Sameshima与其他共同作者发表:「一个质量约为300个太阳质量的恒星,以不稳定对超新星炸出的镁铁比例,与我们这次观测类星体的元素分析结果一致。」是个很振奋的研究成果,表示这方法可应用于寻找初生的恒星。

  如今的宇宙,尽管大质量的恒星III已不复在,但遗留在星际空间的物质,可能依旧存在至今。为了更彻底地解释这个新发现,还需要更多其他不同来源的观测结果,调查是否有相似的特征。若确定了这个寻找第一代恒星的新工具,我们对宇宙演化的细节也就能梳理地更加清晰。(编译/台北天文馆潘康娴)

艺术家笔下对早期宇宙大质量恒星III的印象。图片来源:NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Space-engine
图说:艺术家笔下对早期宇宙大质量恒星III的印象。图片来源:NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Space-engine

资料来源:Phys.org

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