在浩瀚宇宙的演化歷程中,第一代恒星猶如神秘的開篇序章,它們的形成、存在與消亡都隱藏在遙遠的過去。如今,天文學家在探索宇宙奧秘的征程中取得了重大進展,發現了有史以來最原始的單顆恒星,這一發現為我們揭開宇宙早期演化的神秘面紗提供了關鍵線索。
宇宙的演化速度超乎想象,大爆炸后不到3億年,高度演化的星系和富含重元素的恒星群體便已出現。這意味著第一代恒星必然是在短時間內迅速形成、演化并走向消亡,進而催生了第二代恒星。理論上,第二代恒星中的一部分或許至今仍在宇宙中閃耀。而此次發現的最原始單顆恒星,正是第二代恒星的強有力候選體,它對我們理解宇宙的過去有著不可估量的價值。
第一代恒星誕生于我們對宇宙觀測范圍之外,它們幾乎完全由氫和氦構成,質量巨大且壽命短暫。當這些恒星死亡后,其噴發物改變了周圍星際介質的成分,使得后續形成的恒星與第一代恒星有著本質區別。不過,與第一代恒星不同,后續的恒星世代有能力產生小型、紅色的低質量恒星,這類恒星燃料消耗緩慢,即便誕生于宇宙初期,也可能存活至今。然而,星系環境復雜,自早期時代以來形成的恒星數量眾多,尋找這類古老恒星遺跡的難度極大。
天文學家通過觀測銀河系的衛星星系大麥哲倫云中的恒星,有了重大發現。他們找到了迄今為止已知最純凈的單顆恒星,這顆恒星的重元素豐度極低,符合第二代恒星的特征。恒星主要分為I星族和II星族,I星族恒星像太陽一樣富含重元素,有形成行星的潛力;II星族恒星重元素豐度則低得多,周圍很少有巖質行星。而理論上存在的第三星族恒星,代表著原子基物質云首次形成恒星的情況,目前尚未被發現。
測量恒星的重元素含量,即金屬豐度,對天文學家來說相對容易。這里的金屬指的是元素周期表中除氫和氦以外的任何元素。不同元素來自不同的天體事件,如超新星、千新星等,而且恒星形成時往往是成批進行,這使得恒星元素豐度的分析變得復雜。每當我們研究一顆恒星,都要綜合考慮這些因素。
對于附近形成的恒星,我們了解較多,但也有例外,存在一些貧金屬恒星和貧金屬恒星群。而當我們試圖了解第一代恒星時,情況則大不相同。恒星形成需要中性原子云通過輻射冷卻并收縮,而重元素和分子在輻射冷卻中起著關鍵作用。第一代恒星僅靠氫和氦難以實現這一點,這使得它們的形成過程充滿挑戰。
根據觀測結果,如今新形成恒星的平均質量約為太陽質量的40%,95%的新生恒星質量小于太陽,只有極少數恒星誕生時質量足夠大,會以核心坍縮超新星的形式結束生命。但對于第一代恒星,模擬和模型顯示,它們的平均質量為10個太陽質量,且大多數僅存在幾百萬年就死亡了。由于缺乏冷卻能力,第一代恒星中應該沒有低質量恒星留存至今。
尋找原始恒星遺跡有兩個關鍵方向,一是對附近恒星進行光譜測量,尋找金屬量最低的恒星;二是在遙遠的宇宙早期測量星系中恒星集合的塵埃和光譜成分,確定其金屬量。通過詹姆斯韋伯望遠鏡對遙遠星系的觀測,我們了解到宇宙歷史最初15億年間星系的金屬豐度和塵埃含量情況。大多數低金屬豐度星系同時也是貧塵星系,與后期更富塵的星系形成鮮明對比。這讓我們清楚認識到距離在早期宇宙中找到真正原始、不含金屬的源還有多遠。
此次發現的最原始恒星起源于大麥哲倫云的暈輪,那里通常是恒星中金屬含量最低的區域。這顆恒星是一顆演化的紅巨星,與太陽質量略低但演化程度更高,比普通類太陽恒星更亮、溫度更低,更容易觀測和研究。觀察這顆恒星不僅讓我們向發現真正原始的恒星邁進了一步,還有助于我們解決一個關鍵問題:化學豐度是如何將最初的大質量、短壽命第三星族恒星群轉變為以形成小質量、長壽命恒星為主的群體的。
有趣的是,塵埃冷卻需要重元素豐度至少達到太陽豐度的0.001%才能有效進行。如果發現總金屬豐度更低的II星族恒星,傳統物理學將無法解釋其存在。通過恒星核合成模型計算,這顆恒星的重元素豐度可能源自一顆約30倍太陽質量且爆炸能量很高的III星族恒星。雖然詹姆斯韋伯太空望遠鏡的發射讓我們發現了一些極貧金屬高紅移星系,但距離宣稱探測到第三星族恒星仍有差距,對第三星族恒星的搜索仍在繼續。










