對(duì)于一部分天文學(xué)家來說，越古老的天體越有趣，比如第一代恒星、第一代星系等等。近日，來自美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)與墨西哥國(guó)家天體物理、光學(xué)與電子研究所的一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)在《自然·天文》上發(fā)布了一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)。他們利用大型毫米波望遠(yuǎn)鏡通過光譜觀測(cè)證認(rèn)了一個(gè)紅移大于6.0的恒星形成星系G09 83808。這是迄今第二遙遠(yuǎn)的塵埃恒星形成星系，僅比宇宙年輕10億歲。這個(gè)誕生于128億年前的第一代大質(zhì)量星系，是宇宙中最年老的天體之一。而這些明亮的大家伙還有一個(gè)重要的身份——它們常常被認(rèn)為是宇宙中第一代恒星的家園。
宇宙中的第一縷星光
大爆炸發(fā)生了數(shù)億年之后，第一代恒星才出現(xiàn)。人們普遍相信宇宙中的第一代恒星誕生在宇宙最早期不含有任何金屬的氣體中。但由于在觀測(cè)上從來沒有真正看到過它們，關(guān)于第一代恒星的真實(shí)面目仍然眾說紛紜。
我們生活在一個(gè)充滿明亮天體的宇宙之中。找一個(gè)晴朗的月黑之夜，你可以用肉眼看到成千上萬顆星星。不過它們僅僅是我們?cè)阢y河系里的左鄰右舍，只有通過望遠(yuǎn)鏡才能看到數(shù)億星系照亮的廣袤宇宙。
現(xiàn)代宇宙學(xué)告訴我們，在宇宙剛剛降生的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，到處都是一片黑暗，直到大爆炸發(fā)生了數(shù)億年之后，才出現(xiàn)了第一代恒星。在此之后又經(jīng)歷了十億年，才產(chǎn)生了第一代星系。長(zhǎng)久以來天文學(xué)家一直在追問：宇宙中的第一縷星光到底是如何誕生于黑暗之中？我們又該去哪里找尋它們？
經(jīng)過幾十年的研究，宇宙學(xué)家通過復(fù)雜的數(shù)值模擬計(jì)算設(shè)計(jì)出了合理的模型，認(rèn)為大爆炸留下的密度起伏可以逐步演化成第一代恒星。除此之外，對(duì)于遙遠(yuǎn)星系的觀測(cè)也可以使我們乘著時(shí)光機(jī)回溯到宇宙黑暗年代的最后一刻。
長(zhǎng)久以來，人們普遍相信宇宙中的第一代恒星誕生在原初分子云——宇宙最早期不含有任何金屬的氣體中。理論學(xué)家預(yù)言這些恒星大氣層中的金屬含量極低，甚至不含有任何金屬元素，即只存在氫、氦和極少量的鋰。
然而，由于在觀測(cè)上從來沒有真正看到過它們，關(guān)于第一代恒星的真實(shí)面目仍然眾說紛紜。它們有可能是比太陽質(zhì)量大百倍的重量級(jí)選手，也有可能是和太陽質(zhì)量差不多的不起眼的小家伙。
曇花一現(xiàn)還是深藏不露？
第一代恒星都會(huì)以大質(zhì)量短壽命作為終結(jié)，在極特殊的條件下，例如具有極高的角動(dòng)量系統(tǒng)中，仍然有可能產(chǎn)生小的碎片從而形成小質(zhì)量的第一代恒星。當(dāng)這些恒星質(zhì)量小于太陽時(shí)，就有可能一直活到今天。
因?yàn)椴缓饘�，產(chǎn)生第一代恒星的氣體系統(tǒng)比今天的分子云氣體要簡(jiǎn)單得多。而且宇宙學(xué)模型基本上能夠?yàn)殛P(guān)于第一代恒星孕育環(huán)境的初始條件提供非常完整的描述。
最早的氣體云由于自身的重力開始收縮，在這個(gè)過程中加熱氣體并形成氫分子。隨著氫分子的冷卻，在最致密的區(qū)域會(huì)形成團(tuán)塊，也就是第一代恒星的搖籃。這些團(tuán)塊的溫度幾乎是今天孕育恒星的分子云溫度的三十倍。這也意味著它們發(fā)生塌縮的臨界質(zhì)量要比后者高出一千倍。
這些氣體團(tuán)塊“始祖”的最終結(jié)局如何？它們究竟是產(chǎn)生了與自身質(zhì)量相當(dāng)?shù)暮阈�，還是分裂成許多小塊從而形成大量小質(zhì)量的恒星？二十世紀(jì)末至本世紀(jì)初的大量理論研究和數(shù)值模擬都將演算的終點(diǎn)推向前者，并且?guī)缀跬耆懦嗽鯃F(tuán)塊分裂的可能性。這意味著第一代恒星都是具有數(shù)十倍甚至數(shù)百倍于太陽質(zhì)量的大塊頭。但這也不幸地意味著它們不能活得太久，通常熬不過幾百萬年的時(shí)間，更不用說穿越一百三十億年出現(xiàn)在今天我們的視野中了。
在最近的十年中，關(guān)于第一代恒星的不可觀測(cè)性出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)。來自美國(guó)、日本等多個(gè)理論研究團(tuán)組的研究結(jié)果都表明，盡管一般情況下，第一代恒星都會(huì)以大質(zhì)量短壽命作為終結(jié)，但在極特殊的條件下，例如具有極高的角動(dòng)量系統(tǒng)中，仍然有可能產(chǎn)生小的碎片從而形成小質(zhì)量的第一代恒星。當(dāng)這些恒星質(zhì)量小于太陽時(shí)，就有可能一直活到今天。理論學(xué)家甚至預(yù)言，在銀河系中心核球以及近鄰矮星系中，都有可能會(huì)找到它們。然而，這種情況的極端特殊性以及它們隱藏區(qū)域的極難觀測(cè)性，并沒有降低找到第一代恒星的難度系數(shù)。
通向遠(yuǎn)古宇宙的恒星考古
在過去的幾十年里，已經(jīng)有大量的天文學(xué)家致力于尋找第二代恒星。這些恒星的質(zhì)量一般比太陽要小，因此能夠存活得極為長(zhǎng)久。通過測(cè)量它們的化學(xué)成分，可以沿著宇宙時(shí)標(biāo)穿越回到遠(yuǎn)古，了解第一代恒星和早期宇宙的本質(zhì)。
第一代恒星的壽命很短，但常常以非常壯麗的方式結(jié)束它們的生命，比如超新星爆發(fā)。在這個(gè)過程中，核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的金屬元素被噴射到周圍的環(huán)境中，然后以遠(yuǎn)比氫分子云高效的方式快速冷卻并產(chǎn)生小質(zhì)量的第二代恒星。這些恒星的質(zhì)量一般比太陽要小，因此能夠存活得極為長(zhǎng)久，其中有一些時(shí)至今日仍然可以被觀測(cè)到。
如果認(rèn)為這些長(zhǎng)壽明星的表面化學(xué)成分沒有被內(nèi)部“混合”過程或者外部影響明顯改變，通過測(cè)量這些化學(xué)成分，我們就可以沿著宇宙時(shí)標(biāo)穿越回到遠(yuǎn)古，從而了解第一代恒星和早期宇宙的本質(zhì)。
由于這些珍稀的古老恒星是我們目前通往宇宙最早期星光的唯一觀測(cè)途徑，而且觀察這些身處銀河系及其近鄰星系的恒星遠(yuǎn)比遙遠(yuǎn)的星系要容易得多。
在過去的幾十年里，已經(jīng)有大量的天文學(xué)家致力于尋找第二代恒星。雖然它們也極其稀有——在太陽附近區(qū)域，大約每十萬顆恒星當(dāng)中才有可能找到一兩顆，人們還是幸運(yùn)地撞見了一些。其中最讓人驚嘆的是澳大利亞天文學(xué)家通過SkyMapper望遠(yuǎn)鏡看到的SMSS 0313-6708，它的金屬含量還不到太陽的千萬分之一，現(xiàn)有的天文觀測(cè)甚至無法在它的大氣中找到任何鐵元素的痕跡。盡管我們還無法準(zhǔn)確地判斷它究竟有多老，但科學(xué)家們幾乎非常確定，它一定不會(huì)比宇宙年輕多少。
通過分析年老恒星來研究第一代恒星和早期宇宙通常被稱作“恒星考古”或者“近場(chǎng)宇宙學(xué)”。我國(guó)天文學(xué)家在最近幾年也積極投入其中，并正在利用我國(guó)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的LAMOST望遠(yuǎn)鏡建立目前世界上最大的“宇宙化石”樣本，希望能夠發(fā)現(xiàn)更多珍奇的第二代恒星，并為破解第一代恒星的神秘身份提供新證據(jù)。
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