詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 的主要建造目的是為了改變我們對早期宇宙的理解。在啟動不到一年後，它正在發揮作用，發現了比以往任何時候都更早的宇宙星系。然而，該望遠鏡還有另一個不太為人所知的目標，即探測大爆炸後 138 億年前的最早時刻。它正在尋找宇宙中第一批亮起的恆星的跡象，即所謂的第三星族恆星，它們是由純粹的氫和氦組成的巨大球體，發出耀眼的光芒，首次為宇宙帶來光明。“它們有點像在幕後，”加州大學聖克魯茲分校的加思·伊林沃思說，主要是因為找到它們非常困難。從未對這類恆星進行過明確的探測，但我們知道它們一定存在。現在，兩項新的研究成果使我們比以往任何時候都更接近於發現它們。
在釋出在預印本伺服器 arXiv.org 上的一對論文中，兩個天文學家團隊報告了第三星族恆星的有希望的跡象。在第一項研究中，由劍橋大學的羅伯託·麥奧利諾領導，研究人員認為他們可能在一個遙遠星系的邊緣發現了一小片第三星族恆星。第二項研究由義大利國家天體物理研究所的埃羅斯·萬澤拉領導，暗示了一個微小的星系，即使不是由第三星族恆星本身組成，也可能是由宇宙早期誕生的極其原始的恆星組成。“這些論文很好地突出了搜尋的不同方面，”蘇黎世瑞士聯邦理工學院的喬裡特·馬修說，他沒有參與這兩篇論文。“我們幾乎要成功了。”
在大爆炸後約 40 萬年，宇宙充分冷卻並平靜下來後，第一批原子得以形成：氫和氦。這些原子會在重力作用下聚集在一起形成巨大的雲團，最終形成第三星族恆星。由於沒有其他恆星的競爭，這些恆星可能會在這些星團內生長到巨大的尺寸——至少比我們的太陽大數百甚至數千倍。這種龐大的體積意味著這些恆星壽命短暫，會在數百萬年內耗盡燃料並以超新星的形式爆炸。然而，這些爆炸對於宇宙至關重要。它們釋放了在恆星內部形成的更重元素，如氧和碳，這些元素產生了第二星族恆星，以及後來的第一星族恆星，如我們的太陽，甚至還有地球和生命本身等行星。
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這些短暫的壽命使得追蹤第三星族恆星變得困難，但並非不可能。一些原始氣體雲應該在大爆炸後持續存在一段時間，可能長達數億年。與此同時，恆星的巨大熱量，其表面溫度約為 90,000 華氏度——是我們太陽溫度的 10 倍——應該會釋放出氦氣的明顯跡象，而氦氣只能在如此高的溫度下產生。然而，由於從我們的角度來看，它們非常小，並且可能與後來的第二星族恆星混雜在一起，因此大多數望遠鏡都無法探測到它們——直到 JWST。從 20 世紀 80 年代望遠鏡的早期規劃開始，重點就一直放在星系上。“當談到關於 JWST 潛力的科學討論時，它始終是關於最早的星系，”伊林沃思說，他是執行 JWST 的太空望遠鏡科學研究所的前任副主任。“出於政治目的，我們試圖保持非常簡單。”然而，找到第三星族恆星的可能性一直是一個誘人的，即使是極其困難的可能性。“在早期宇宙中搜索第三星族恆星是 JWST 旨在完成的科學的關鍵部分，”美國宇航局戈達德太空飛行中心的簡·裡格比說，她是 JWST 的運營專案科學家。
英格蘭曼徹斯特大學的麗貝卡·鮑勒說，這樣做將是“一項巨大的發現”。“我們仍然沒有看到第三星族恆星的明確證據。它們是我們理解宇宙歷史中缺失的一環。”在 JWST 之前，一個被吹捧為第三星族恆星潛在宿主的星系 CR7，似乎在 2017 年被排除。今年早些時候 JWST 的一項更新結果在遙遠的星系中發現了初步跡象，但結果仍不確定。“我們以前沒有能夠找到它們的儀器，”鮑勒說。“JWST 是我們最好的機會——它非常巨大，並且具有正確的波長覆蓋範圍。”
麥奧利諾的團隊使用 JWST 觀測了一個名為 GN-z11 的星系，該星系此前於 2015 年由哈勃太空望遠鏡發現。GN-z11 可以追溯到大爆炸後僅 4 億年，並且是已知最遙遠的星系，直到 JWST 發現了更遙遠的星系。透過稱為光譜學的過程，分析星系邊緣的光線，他們發現了氦氣的跡象，這可能與星系外圍區域的小片第三星族恆星有關。如果正確，星團中的恆星質量將至少是太陽的 500 倍，總質量為 60 萬個太陽質量，這將解釋該團隊看到的訊號。“我們正在將望遠鏡推向極限，”麥奧利諾說。“這些可能是氣體團塊，沒有與星系的其他部分充分混合。”另一種可能性是，訊號來自直接坍縮黑洞，這是一種理論上的、前所未見的物體，其質量是太陽的數萬倍，是超大質量黑洞的種子。他說，那也“仍然是一個非常令人興奮的發現”。
萬澤拉的團隊採用了不同的方法。利用名為 MACS J0416 的星系團的引力，該團隊探測到來自一個非常小且非常遙遠的星系的氫氣和少量氧氣的放大發射。“它被放大了大約 500 倍，”國家科學基金會國家光學-紅外天文研究實驗室 (NOIRLab) 的馬克·狄金森說，他是該論文的合著者。雖然研究人員無法直接看到星系的光，但他們的發現表明，在早期宇宙中存在兩個極小的恆星團，總質量可能不到 10,000 個太陽質量，並且在大爆炸後約 8 億年被觀測到。這些星團似乎並非完全由第三星族恆星組成，但存在的重元素量非常少。“重元素丰度低於我們在宇宙中見過的任何其他物質，”狄金森說。“它與我們見過的原始星系非常接近。”
雖然這兩篇論文都不是對第三星族恆星的明確探測，但它們都是我們迄今為止證明其存在的最有力證據。“它們更接近了，但它們不是結論性的，”英格蘭朴茨茅斯大學的丹尼爾·惠倫說，他沒有參與這項研究。鮑勒說，雖然這兩篇論文都“沒有完全符合所有條件”，但兩者“都非常有趣，並且指向了第三星族的方向”。需要對這兩個目標進行進一步研究，以真正確定它們是否包含原始恆星或至少接近原始恆星的恆星。
上週發表在《自然》雜誌上的另一項研究結果發現，在家附近發現了第三星族恆星的線索。天文學家研究了我們星系暈中的一顆恆星，發現它含有不尋常的重元素成分，並且鈉含量不足。這表明它可能是由第三星族恆星在理論上的對不穩定性超新星中灰燼形成的，當質量在太陽的 140 到 260 倍之間的恆星經歷失控的熱核爆炸時，就會發生這種情況。“我們知道第一代恆星可以產生這種化學元素模式，”中國科學院的趙剛說，他是該論文的合著者之一。該團隊估計他們觀測到的第二代恆星已有 130 多億年的歷史，是在大爆炸後僅 5 億年，在第三星族恆星死亡後形成的。
即將開展的工作，特別是使用 JWST 的研究人員的工作，將使我們更接近直接看到來自第三星族恆星的光。劍橋大學的漢娜·於布勒和麥奧利諾成功提議在 JWST 的第二個科學年（從 7 月開始）中使用 JWST，以觀測早期宇宙中七個似乎重元素含量較低的星系。“我們想觀察這些星系的周圍環境，看看我們是否能在它們的外圍區域找到第三星族恆星，”於布勒說。“然後，在一些假設下，我們就可以限制恆星的質量。”馬修領導的另一個 JWST 專案將搜尋早期宇宙中“星系內部或周圍”缺乏重元素的氣體雲，馬修說。
看到如此集聚的第三星族恆星可能是 JWST 可能實現的極限，這使我們能夠確認這些恆星在宇宙特定時期存在的證據，並告訴我們一些關於它們生長到的大小的資訊。然而，存在一種微小的可能性，即如果未來的觀測中，單個第三星族恆星被充分放大，例如在星系團周圍，望遠鏡可能能夠分辨出它們。“原則上，這是可能的，但你必須非常幸運，”於布勒說，並補充說這將需要放大 1,000 倍或更多。目前，我們最好的選擇是尋找來自小星團的發射，這是一項 JWST 非常適合的任務。如果我們能找到它們，它將開啟對我們宇宙如何開始的全新理解。“我們想知道一切是如何開始的，”麥奧利諾說。“如果沒有第一代恆星的化學富集，就不會有其他任何東西。這是我們宇宙形成的關鍵時期。”