天文學家發現了證據，證明長期以來被認為存在於早期宇宙中的巨型恆星確實存在。這些恆星的質量是太陽的數百倍，它們應該是第一批將原始氫和氦聚變成更重元素的恆星，留下了一種化學特徵，研究人員現在在一顆古老的第二代恆星中發現了這種特徵。
關於宇宙的第一批恆星知之甚少，這些恆星應該是在大爆炸後的最初數億年中，由氫、氦和少量鋰雲形成的。
長期以來的模擬預測，第一批恆星中有些是巨大的。它們的質量是太陽的100多倍，它們的壽命很短，就像宇宙中的眨眼一樣，只有幾百萬年。當它們以超新星爆發時，它們創造了第一批重元素，後來的星系和恆星就是從這些重元素演化而來的。但此前從未發現過它們存在的痕跡。
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現在，日本東京國家天文臺的青木和光（Wako Aoki）和他的同事們利用一種稱為恆星考古學的技術，在他們古老的“女兒”恆星的化學成分中發現了這樣一顆恆星的第一個線索。這顆遺蹟恆星——一顆名為SDSS J0018-0939的恆星——的化學成分表明，它可能是由一片氣體雲形成的，這片氣體雲中摻雜著一顆非常巨大的恆星爆炸產生的物質。研究結果發表在8月21日的《科學》雜誌上。
東京大學的天體物理學家吉田直紀（Naoki Yoshida）說：“這是一項期待已久的發現。”他沒有參與這項研究。他說，儘管許多理論研究預測了這些化學特徵的存在，但它們從未在宇宙中被發現，這是一個長期存在的難題。“青木等人似乎終於找到了一件古老的遺蹟，它顯示出有趣的證據，表明在遙遠的過去確實存在過這樣一顆巨大的恆星。”
奇怪的混合物
天文學家在小型、低質量的第二代恆星中尋找關於第一批恆星的證據。這些恆星是緩慢燃燒的恆星，已經存在了大約130億年，它們微量的重元素表明，它們是從一片氣體雲凝聚而成的，這片氣體雲僅僅被一次或幾次超新星爆發的產物所豐富。
麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology）位於劍橋的天體物理學家安娜·弗雷貝爾（Anna Frebel）說：“這些就像櫥櫃後面的罐頭裡的豆子——它們永遠放在那裡，你可以在任何時候開啟它們。”她沒有參與這項研究。“透過研究它們，你可以拼湊出形成恆星的氣體雲的成分，以及最初的恆星釋放出哪些元素以及釋放了多少。”
到目前為止，這類研究未能揭示數值模擬表明應該在早期宇宙中形成的巨型恆星。青木和他的同事們透過研究最初由斯隆數字巡天（Sloan Digital Sky Survey）發現的恆星發現了他們的候選者，該巡天位於新墨西哥州的阿帕奇點天文臺（Apache Point Observatory）。他們使用日本昴星團望遠鏡（Subaru Telescope）上的高色散光譜儀分析了位於夏威夷莫納克亞山（Mauna Kea）的SDSS J0018-0939，發現這顆恆星具有非常不尋常的元素混合。
青木說：“化學上的特殊性非常顯著。”分析表明，與鐵等較重元素相比，這顆恆星的碳、鎂和鈣等較輕元素的丰度非常低。作者說，對這種特徵最可能的解釋是一種非常巨大的恆星爆炸，稱為對不穩定超新星。
當恆星核心的溫度變得如此之高，以至於光子對變成電子和正電子對時，就會發生這種型別的超新星。由此導致的外向壓力下降會導致恆星急劇坍縮，引發巨大的熱核爆炸。青木的團隊發現，這將撕裂整顆恆星，併產生相對於較輕元素而言高水平的鐵。另一方面，弗雷貝爾說，能量較低的超新星產生的鐵與較輕元素相比非常少，因為儘管外層被吹走，但較重的元素會被吸回核心，形成黑洞。
繼續搜尋
青木說，雖然這顆恆星的特徵表明，它更有可能形成於這種巨型爆炸的殘餘物，而不是更傳統的超新星，但兩者並不完全吻合。一些特徵仍然無法解釋——當模型改進時，這個問題可能會得到解決。 弗雷貝爾說，目前，她會猶豫是否對原始恆星的質量做出明確的預測，或者聲稱這是唯一的解釋。
哈佛-史密森天體物理學中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）位於馬薩諸塞州劍橋市的理論天體物理學家托馬斯·格雷夫（Thomas Greif）說，這個結果令人興奮，但也警告說，這並不意味著理論家可以宣佈勝利。他說：“目前，這只是一顆恆星，這並不意味著所有這些恆星都會以這種方式爆炸。”
青木的團隊估計，每500顆僅顯示微量重元素的恆星中，可能有一顆是由這些巨型恆星的殘骸形成的，研究人員現在正在研究更多恆星的化學特徵，以尋找更多的例子。吉田說，如果這樣的恆星如此普遍，未來的天文調查，如計劃於2018年發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope），或下一代地面巨型望遠鏡，甚至可能能夠直接觀測到這些恆星的大規模超新星死亡，在來自最遙遠星系的古老光線中。“這將最終證明非常巨大的[第一代]恆星的存在，”他補充道。
本文經許可轉載，最初於2014年6月20日首次發表。