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編者注：我們釋出的是 2002 年 3 月刊的這篇專題報道，因為在美國天文學會年會上釋出了關於此處討論的現象的新聞。
我們生活在一個充滿明亮物體的宇宙中。在晴朗的夜晚，人們可以用肉眼看到數千顆恆星。這些恆星僅僅佔據了銀河系附近的一小部分；望遠鏡揭示了一個更加廣闊的領域，它閃耀著來自數十億星系的光芒。然而，根據我們目前對宇宙學的理解，宇宙在其早期歷史的漫長時期內是單調乏味和黑暗的。第一批恆星可能在大爆炸後 1 億年才出現大爆炸，並且在星系在宇宙中擴散之前，又過去了將近 10 億年。天文學家長期以來一直想知道：從黑暗到光明的這種戲劇性轉變是如何發生的？
經過數十年的研究，研究人員最近在回答這個問題方面取得了巨大進展。宇宙學家利用複雜的計算機模擬技術，設計了模型，展示了大爆炸遺留下來的密度波動如何演變成第一批恆星。此外，對遙遠類星體的觀測使科學家能夠及時回溯，並瞥見“宇宙黑暗時代”的最後日子。
新模型表明，第一批恆星很可能非常巨大且明亮，它們的形成是一個劃時代的事件，從根本上改變了宇宙及其隨後的演化。這些恆星透過加熱和電離周圍的氣體，改變了宇宙的動力學。最早的恆星還產生和分散了第一批重元素，為最終形成像我們自己的太陽系鋪平了道路。一些第一批恆星的坍塌可能為超大質量黑洞的增長埋下了種子，這些黑洞在星系的中心形成，併成為類星體壯觀的動力源。簡而言之，最早的恆星使我們今天看到的宇宙的出現成為可能——從星系和類星體到行星和人類，應有盡有。
黑暗時代 對早期宇宙的研究受到缺乏直接觀測的阻礙。天文學家已經能夠透過將望遠鏡對準數十億年前發光的遙遠星系和類星體來檢查宇宙歷史的大部分內容。每個物體的年齡可以透過其光的紅移來確定，紅移顯示了自光產生以來宇宙膨脹了多少。迄今為止觀測到的最古老的星系和類星體可以追溯到大爆炸後約 10 億年（假設宇宙的當前年齡為 120 億至 140 億年）。研究人員將需要更好的望遠鏡才能看到來自更早時期的更遙遠的物體。
然而，宇宙學家可以根據宇宙微波背景輻射對早期宇宙進行推斷，宇宙微波背景輻射是在大爆炸後約 40 萬年發出的。這種輻射的均勻性表明，當時的物質分佈非常平滑。由於沒有大型發光物體來擾亂原始湯，因此它一定在隨後的數百萬年內保持平滑且單調乏味。隨著宇宙膨脹，背景輻射紅移到更長的波長，宇宙變得越來越冷和黑暗。天文學家沒有對這個黑暗時代的觀測結果。但在大爆炸後 10 億年，一些明亮的星系和類星體已經出現，因此第一批恆星一定是在此之前形成的。這些第一批發光物體何時出現，它們又是如何形成的？
包括劍橋大學的馬丁·里斯和哈佛大學的亞伯拉罕·勒布在內的許多天體物理學家，為解決這些問題做出了重要貢獻。最近的研究始於描述大爆炸後宇宙演化的標準宇宙學模型。儘管早期宇宙非常平滑，但背景輻射顯示出小規模密度波動的證據——原始湯中的團塊。宇宙學模型預測，這些團塊將逐漸演變成引力束縛結構。較小的系統會首先形成，然後合併成較大的聚集體。密度較高的區域將形成絲狀網路，第一批恆星形成系統——小型原星系——將在該網路的節點處合併。以類似的方式，原星系隨後將合併形成星系，而星系將聚集到星系團中。這個過程仍在進行中：儘管星系形成現在已基本完成，但星系仍在組裝成星系團，而星系團又聚整合一個巨大的絲狀網路，橫跨整個宇宙。
根據宇宙學模型，第一批能夠形成恆星的小型系統應該在大爆炸後 1 億到 2.5 億年之間出現。這些原星系的質量將是太陽的 10 萬到 100 萬倍，直徑約為 30 到 100 光年。這些特性與目前在銀河系中形成恆星的分子氣體雲的特性相似，但第一批原星系在某些基本方面有所不同。首先，它們主要由暗物質組成，暗物質是被認為構成宇宙質量約 90% 的假想基本粒子。在當今的大型星系中，暗物質與普通物質分離：隨著時間的推移，普通物質集中在星系的內部區域，而暗物質仍然分散在巨大的外部暈中。但在原星系中，普通物質仍然會與暗物質混合在一起。
第二個重要的區別是，原星系除了氫和氦之外，不包含任何大量的其他元素。大爆炸產生了氫和氦，但大多數較重的元素僅由恆星中的熱核聚變反應產生，因此在第一批恆星形成之前它們不會存在。天文學家使用術語“金屬”來表示所有這些較重的元素。銀河系中年輕的富含金屬的恆星被稱為 Population I 恆星，而古老的貧金屬恆星被稱為 Population II 恆星；按照這個術語，完全沒有金屬的恆星——第一代恆星——有時被稱為 Population III 恆星。
在沒有金屬的情況下，第一批恆星形成系統的物理學將比當今的分子氣體雲簡單得多。此外，宇宙學模型原則上可以提供對第一代恆星之前初始條件的完整描述。相比之下，從分子氣體雲中產生的恆星誕生於複雜的環境中，這些環境已被先前恆星形成的影響所改變。因此，科學家可能會發現模擬第一批恆星的形成比模擬當今恆星的形成更容易。無論如何，對於理論研究來說，這是一個有吸引力的問題，一些研究小組已經使用計算機模擬來描繪最早的恆星的形成。
由湯姆·阿貝爾、格雷格·布萊恩和邁克爾·L·諾曼（現在分別在賓夕法尼亞州立大學、麻省理工學院和加利福尼亞大學聖地亞哥分校）組成的小組進行了最真實的模擬。我們與耶魯大學的保羅·科皮合作，進行了基於更簡單假設的模擬，但旨在探索更廣泛的可能性。現在在日本大阪大學的鶴部徹（Toru Tsuribe）使用更強大的計算機進行了類似的計算。中村文孝和梅村雅之（現在分別在日本新潟大學和筑波大學）使用了一種更理想化的模擬，但它仍然產生了有益的成果。儘管這些研究在各種細節上有所不同，但它們都對最早的恆星可能如何誕生給出了類似的描述。
要有光！ 模擬表明，原始氣體雲通常會在小規模絲狀網路的節點處形成，然後由於自身的引力而開始收縮。壓縮會將氣體加熱到 1,000 開爾文以上。一些氫原子會在稠密、熱的氣體中配對，產生微量的分子氫。然後，氫分子將透過在與氫原子碰撞後發射紅外輻射來開始冷卻氣體最稠密的部分。最稠密部分的溫度將降至約 200 至 300 開爾文，從而降低這些區域的氣體壓力，並因此使其收縮成引力束縛的團塊。
這種冷卻在使原始系統中的普通物質與暗物質分離方面起著至關重要的作用。冷卻的氫氣沉降成扁平的旋轉結構，該結構呈團塊狀和絲狀，並且可能呈圓盤狀。但是，由於暗物質粒子不會發射輻射或損失能量，因此它們將仍然分散在原始雲中。因此，恆星形成系統將開始類似於微型星系，具有普通物質盤和暗物質暈。在圓盤內部，最稠密的氣體團塊將繼續收縮，最終其中一些將經歷失控坍塌並變成恆星。
第一批恆星形成團塊比當前大多數恆星形成的分子氣體雲溫暖得多。含有重元素的塵埃顆粒和分子將當今的雲層更有效地冷卻到僅約 10 開爾文的溫度。氣體團塊在其自身引力作用下坍塌的最小質量稱為金斯質量，金斯質量與氣體溫度的平方成正比，與氣體壓力的平方根成反比。第一批恆星形成系統的壓力與當今分子云的壓力相似。但是，由於第一批坍塌氣體團塊的溫度幾乎比分子云的溫度高 30 倍，因此它們的金斯質量將幾乎大 1,000 倍。
在銀河系附近部分的分子云中，金斯質量大致等於太陽的質量，並且在這些雲中觀察到的原恆星團塊的質量也大致相同。如果我們按幾乎 1,000 倍的係數放大，我們可以估計第一批恆星形成團塊的質量約為太陽質量的 500 到 1,000 倍。與此預測一致，上述所有計算機模擬都顯示了質量為數百個太陽質量或更多質量的團塊的形成。
我們小組的計算表明，第一批恆星形成團塊的預測質量對假設的宇宙學條件（例如，初始密度波動的確切性質）不是很敏感。事實上，預測質量主要取決於氫分子的物理學，其次才取決於宇宙學模型或模擬技術。原因之一是分子氫無法將氣體冷卻到 200 開爾文以下，這使得這成為第一批恆星形成團塊溫度的下限。另一個原因是，當團塊開始坍塌時，分子氫的冷卻在高密度下變得效率低下。在這些密度下，氫分子在有時間發射紅外光子之前會與其他原子碰撞；這會升高氣體溫度並減慢收縮速度，直到團塊累積到至少幾百個太陽質量為止。
第一批坍塌團塊的命運是什麼？它們是形成了質量同樣大的恆星，還是分裂成許多較小的部分並形成了許多較小的恆星？研究小組已將他們的計算推進到團塊即將形成恆星的地步，並且沒有一項模擬顯示出團塊有任何分裂的趨勢。這與我們對當今恆星形成的理解相符；觀測和模擬表明，恆星形成團塊的分裂通常僅限於形成雙星系統（兩顆恆星繞彼此執行）。在原始團塊中，分裂似乎更不可能發生，因為分子氫冷卻的低效率會使金斯質量保持較高水平。然而，模擬尚未確定坍塌的最終結果，並且不能排除雙星系統的形成。
不同的小組對第一批恆星可能有多大質量得出了略有不同的估計。阿貝爾、布萊恩和諾曼認為，恆星的質量可能不超過太陽質量的 300 倍。我們自己的工作表明，質量高達太陽質量的 1,000 倍可能是可能的。這兩種預測在不同情況下都可能是有效的：最早形成的第一批恆星的質量可能不超過太陽質量的 300 倍，而稍後從較大原星系的坍塌中形成的恆星可能達到了更高的估計值。定量預測很困難，因為存在反饋效應；當一顆大質量恆星形成時，它會產生強烈的輻射和物質外流，這些輻射和物質外流可能會吹走坍塌團塊中的一些氣體。但是這些效應在很大程度上取決於氣體中重元素的存在，因此對於最早的恆星來說，它們應該不那麼重要。因此，可以安全地得出結論，宇宙中的第一批恆星通常比太陽大得多且明亮得多。
宇宙文藝復興 這些第一批恆星對宇宙的其餘部分有什麼影響？沒有金屬的恆星的一個重要特性是，它們的表面溫度高於成分與太陽相似的恆星。在沒有金屬的情況下，恆星中心核能的產生效率較低，並且恆星必須更熱更緊湊才能產生足夠的能量來對抗引力。由於結構更緊湊，恆星的表面層也會更熱。我們（布羅姆）與夏威夷大學的羅爾夫-彼得·庫德里茨基和哈佛大學的亞伯拉罕·勒布合作，設計了質量在 100 到 1,000 個太陽質量之間的此類恆星的理論模型。模型顯示，這些恆星的表面溫度約為 100,000 開爾文——約為太陽表面溫度的 17 倍。因此，宇宙中的第一道星光主要來自非常熱的恆星的紫外線輻射，並且它將在這些恆星形成後不久開始加熱和電離這些恆星周圍的中性氫氣和氦氣。
我們將此事件稱為宇宙文藝復興。儘管天文學家尚無法估計宇宙中有多少氣體凝結成第一批恆星，但即使只有十萬分之一的氣體也可能足以讓這些恆星電離大部分剩餘氣體。一旦第一批恆星開始發光，每個恆星周圍都會形成一個不斷增長的電離氣體泡。隨著越來越多的恆星在數億年的時間裡形成，電離氣體泡最終會合並，星系際氣體將變得完全電離。
來自加州理工學院和斯隆數字巡天的科學家最近發現了這一電離過程最後階段的證據。研究人員在來自大爆炸後約 9 億年的類星體光譜中觀察到強烈的紫外線吸收。結果表明，最後的中性氫氣片當時正在被電離。氦比氫需要更多的能量才能電離，但如果第一批恆星像預測的那樣巨大，它們也會同時電離氦。另一方面，如果第一批恆星沒有那麼大質量，那麼氦一定是在稍後被來自類星體等來源的高能輻射電離的。未來對遙遠物體的觀測可能有助於確定宇宙的氦何時被電離。
如果第一批恆星確實非常巨大，那麼它們的壽命也會相對較短——只有數百萬年。一些恆星會在生命盡頭以超新星的形式爆炸，噴射出它們透過聚變反應產生的金屬。據預測，質量介於太陽質量的 100 到 250 倍之間的恆星會完全炸燬在劇烈的爆炸中，而第一批恆星中的一些最有可能具有這個範圍內的質量。由於金屬比氫氣更有效地冷卻恆星形成雲並使其坍塌成恆星，因此即使少量金屬的產生和分散也可能對恆星形成產生重大影響。
我們與義大利佛羅倫薩大學的安德烈亞·費拉拉合作發現，當恆星形成雲中金屬的丰度上升到太陽金屬丰度的千分之一以上時，金屬會迅速將氣體冷卻到宇宙背景輻射的溫度。（隨著宇宙膨脹，這個溫度會下降，在大爆炸後 10 億年降至 19 開爾文，今天降至 2.7 開爾文。）這種有效的冷卻允許形成質量較小的恆星，也可能大大提高恆星的整體誕生率。事實上，恆星形成的步伐可能直到第一批金屬產生後才加速。在這種情況下，第二代恆星可能是主要負責照亮宇宙並帶來宇宙文藝復興的恆星。
在這個活躍的恆星誕生時期開始時，宇宙背景溫度會高於當今分子云中的溫度（10 開爾文）。在溫度降至該水平之前——這發生在在大爆炸後約 20 億年——恆星形成過程可能仍然偏愛大質量恆星。結果，在原星系的連續合併過程中，可能會形成大量此類恆星，從而構建早期星系。當兩個星系碰撞並觸發星暴——恆星形成速率突然增加——時，現代宇宙中可能會發生類似的現象。此類事件現在相當罕見，但一些證據表明，它們可能會產生相對大量的巨型恆星。
令人困惑的證據 關於早期恆星形成的這個假設可能有助於解釋當今宇宙的一些令人困惑的特徵。一個尚未解決的問題是，星系中貧金屬恆星的數量少於如果金屬的產生速率與恆星形成速率成正比時應有的數量。如果早期恆星形成產生了相對更多的大質量恆星，那麼這種差異可能會得到解決；當這些恆星死亡時，它們會分散大量金屬，然後這些金屬會融入我們現在看到的大多數低質量恆星中。
另一個令人困惑的特徵是星系團中發射 X 射線的熱星系際氣體的高金屬丰度。如果早期存在大質量恆星的快速形成期，以及相應的超新星爆發率，從而化學富集了星系際氣體，那麼這種觀測結果最容易解釋。早期高超新星爆發率的論據也與最近的證據相吻合，這些證據表明，宇宙中大多數普通物質和金屬都位於瀰漫的星系際介質中，而不是在星系中。為了產生這種物質分佈，星系的形成一定是一個壯觀的過程，涉及大質量恆星形成的強烈爆發和超新星的猛烈轟擊，這些超新星將大部分氣體和金屬從星系中噴射出來。
質量超過太陽質量 250 倍的恆星在其生命盡頭不會爆炸；相反，它們會坍塌成質量同樣大的黑洞。上述幾項計算機模擬預測，第一批恆星中的一些將具有如此大的質量。由於第一批恆星在宇宙中最稠密的部分形成，因此由其坍塌產生的任何黑洞都將透過連續合併而被納入越來越大的系統中。這些黑洞中的一些可能集中在大型星系的內部，併為超大質量黑洞（比太陽大數百萬倍）的增長埋下了種子，這些黑洞現在在星系核中發現。
此外，天文學家認為類星體的能量來源是氣體旋渦進入大型星系中心的黑洞。如果較小的黑洞在一些第一批原星系的中心形成，那麼物質吸積到黑洞中可能會產生“迷你類星體”。由於這些物體可能在第一批恆星之後不久出現，因此它們可能在早期提供了額外的光和電離輻射源。
因此，儘管某些部分仍然是推測性的，但宇宙早期歷史的連貫圖景正在浮現。第一批恆星和原星系的形成開始了宇宙演化的過程。許多證據表明，恆星形成、星系構建和類星體活動最劇烈的時期發生在在大爆炸後數十億年，並且隨著宇宙年齡的增長，所有這些現象都以遞減的速度持續存在。隨著星系組裝成星系團，大多數宇宙結構構建現在已轉移到更大的尺度。
在未來幾年，研究人員希望更多地瞭解故事的早期階段，即結構開始在最小尺度上發展的時候。由於第一批恆星很可能非常巨大且明亮，因此諸如下一代空間望遠鏡（計劃中的哈勃太空望遠鏡的繼任者）之類的儀器可能會探測到其中一些古老的天體。那時，天文學家也許能夠直接觀察到一個黑暗、單調乏味的宇宙是如何形成現在為我們提供光明和生命的壯麗天體的。