一顆特殊恆星的「尋親」之旅
2023-06-08 10:26 作者：陸成寬 來源：科技日報 閱覽：
理論研究曾預言宇宙早期第一代恆星的質量可以超過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。
這次，我國天文學家找到了此類恆星曾經存在的「實錘」！6月7日，《自然》線上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。依託郭守敬望遠鏡（LAMOST）獲取的海量恆星光譜數據，他們在銀河系暈中發現一顆化學特徵獨特的恆星，其化學元素丰度表明，形成該恆星的物質源自一顆質量約為260倍太陽質量的第一代恆星的超新星爆發。
「這一發現首次證實了第一代恆星的質量可以達到260倍太陽質量，這是迄今觀測確認的質量最大的第一代恆星，刷新了人們對第一代恆星質量分布的認知，對研究早期宇宙的化學演化以及恆星考古具有重要的科學意義。」論文通訊作者趙剛說。
貧金屬星繼承第一代恆星的「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—2億年後，才出現了古老的第一代恆星，發出照亮宇宙的第一縷曙光。
第一代恆星或者牠們的化學遺蹟，如同「化石」般記錄著宇宙最古老的歷史。找到牠們，對於瞭解宇宙大爆炸後早期發生的故事具有重要意義。「然而，第一代恆星的壽命極短，只存在於遙遠的宇宙之中，直接觀測到第一代恆星的難度極大。」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」的第一代恆星留下的遺蹟，為天文學家研究第一代恆星打開了一扇窗。
宇宙大爆炸後只產生了氫、氦和極少量的鋰元素。因此，第一代恆星誕生於幾乎不含有任何金屬元素的氣體環境中，幾百萬年後，第一代恆星以劇烈的超新星爆髮結束一生，在其噴射出的物質中形成了下一代恆星也即貧金屬星。貧金屬星繼承了其「父輩」恆星的「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於通過尋找貧金屬星來研究第一代恆星的性質和特徵。
人們此前一直未發現第一代恆星的質量可以超過100倍太陽質量的觀測證據。通常小於100倍太陽質量的第一代恆星都以核坍縮型超新星爆發的形式結束生命；而介於140—260倍太陽質量的第一代恆星，其核心處產生的正負電子對會減弱恆星內部的輻射壓力，並導致恆星坍縮形成一種特殊的超新星——對不穩定超新星。
證實初代恆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，最主要的特徵是原子序數為奇數的元素含量遠小於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恆星，也會呈現出罕見的化學丰度模式，這為尋找第一代超大質量恆星的化學遺蹟提供了線索。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。
依託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恆星。
研究發現，這是目前已知恆星中鈉元素含量最低的恆星。該恆星的元素丰度還顯示出了強烈的「奇偶效應」。此外，該恆星基本不含鍶、鋇等中子俘獲元素，幾乎未受到中子俘獲過程的影響。
這些化學特徵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恆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，也證實了第一代恆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恆星的初始質量函數意義重大，並將對元素起源、宇宙早期的恆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恆星化學丰度之間的聯繫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丰度特殊的恆星，通過分析第一代恆星遺蹟，進一步確定恆星初始質量函數，加深對銀河系形成與演化歷史的理解。（記者 陸成寬）
這次，我國天文學家找到了此類恆星曾經存在的「實錘」！6月7日，《自然》線上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。依託郭守敬望遠鏡（LAMOST）獲取的海量恆星光譜數據，他們在銀河系暈中發現一顆化學特徵獨特的恆星，其化學元素丰度表明，形成該恆星的物質源自一顆質量約為260倍太陽質量的第一代恆星的超新星爆發。
「這一發現首次證實了第一代恆星的質量可以達到260倍太陽質量，這是迄今觀測確認的質量最大的第一代恆星，刷新了人們對第一代恆星質量分布的認知，對研究早期宇宙的化學演化以及恆星考古具有重要的科學意義。」論文通訊作者趙剛說。
貧金屬星繼承第一代恆星的「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—2億年後，才出現了古老的第一代恆星，發出照亮宇宙的第一縷曙光。
第一代恆星或者牠們的化學遺蹟，如同「化石」般記錄著宇宙最古老的歷史。找到牠們，對於瞭解宇宙大爆炸後早期發生的故事具有重要意義。「然而，第一代恆星的壽命極短，只存在於遙遠的宇宙之中，直接觀測到第一代恆星的難度極大。」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」的第一代恆星留下的遺蹟，為天文學家研究第一代恆星打開了一扇窗。
宇宙大爆炸後只產生了氫、氦和極少量的鋰元素。因此，第一代恆星誕生於幾乎不含有任何金屬元素的氣體環境中，幾百萬年後，第一代恆星以劇烈的超新星爆髮結束一生，在其噴射出的物質中形成了下一代恆星也即貧金屬星。貧金屬星繼承了其「父輩」恆星的「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於通過尋找貧金屬星來研究第一代恆星的性質和特徵。
人們此前一直未發現第一代恆星的質量可以超過100倍太陽質量的觀測證據。通常小於100倍太陽質量的第一代恆星都以核坍縮型超新星爆發的形式結束生命；而介於140—260倍太陽質量的第一代恆星，其核心處產生的正負電子對會減弱恆星內部的輻射壓力，並導致恆星坍縮形成一種特殊的超新星——對不穩定超新星。
證實初代恆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，最主要的特徵是原子序數為奇數的元素含量遠小於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恆星，也會呈現出罕見的化學丰度模式，這為尋找第一代超大質量恆星的化學遺蹟提供了線索。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。
依託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恆星。
研究發現，這是目前已知恆星中鈉元素含量最低的恆星。該恆星的元素丰度還顯示出了強烈的「奇偶效應」。此外，該恆星基本不含鍶、鋇等中子俘獲元素，幾乎未受到中子俘獲過程的影響。
這些化學特徵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恆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，也證實了第一代恆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恆星的初始質量函數意義重大，並將對元素起源、宇宙早期的恆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恆星化學丰度之間的聯繫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丰度特殊的恆星，通過分析第一代恆星遺蹟，進一步確定恆星初始質量函數，加深對銀河系形成與演化歷史的理解。（記者 陸成寬）
