宇宙大爆炸后產(chǎn)生的第一代恒星給宇宙帶來(lái)第一縷曙光，是終結(jié)黑暗時(shí)代的起始點(diǎn)，也主導(dǎo)著早期宇宙演化歷史。理論研究表明，第一代恒星的質(zhì)量可以達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的數(shù)百倍，但人們一直未能從觀測(cè)上發(fā)現(xiàn)相關(guān)證據(jù)。

天文學(xué)家對(duì)恒星的“考古”又有了新進(jìn)展。借助于國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）強(qiáng)大的觀測(cè)能力，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)趙剛研究員帶領(lǐng)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)在世界上首次發(fā)現(xiàn)了第一代超大質(zhì)量恒星的化學(xué)遺跡，該成果證實(shí)了一顆質(zhì)量高達(dá)260倍太陽(yáng)質(zhì)量的第一代恒星的存在，刷新了人們對(duì)第一代恒星質(zhì)量分布的認(rèn)知。這一研究成果6月7日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。那么，郭守敬望遠(yuǎn)鏡為這一成果的發(fā)現(xiàn)提供了怎樣的助力？為什么業(yè)界評(píng)價(jià)這是近十年來(lái)第一代恒星研究領(lǐng)域最重要的成果之一？

“太陽(yáng)的祖先”蹤跡難覓

【資料圖】

恒星“考古”如何開(kāi)展？

什么是第一代恒星？其實(shí)，我們賴(lài)以生存的太陽(yáng)已經(jīng)是多次繁衍后形成的年輕恒星。在130多億年前宇宙大爆炸之后，形成了太陽(yáng)的祖先——第一代恒星，它們僅由氫和氦兩種元素組成。之后，通過(guò)核聚變和超新星爆發(fā)，第一代恒星創(chuàng)造了新的元素。從此，宇宙向多彩世界邁出了第一步。研究和理解第一代恒星的性質(zhì)對(duì)于我們認(rèn)識(shí)恒星、星系和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成至關(guān)重要。

國(guó)家天文臺(tái)天體豐度與星系演化團(tuán)組首席研究員、論文通訊作者趙剛：理論天體物理學(xué)家提出了一個(gè)假設(shè)，他們提出，宇宙大爆炸之后形成的第一代恒星其實(shí)并不是我們今天看到的恒星分布，而是由一些大質(zhì)量和超大質(zhì)量恒星組成的第一代恒星，可是我們?cè)谟^測(cè)上從來(lái)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。當(dāng)然，因?yàn)檠莼年P(guān)系我們不可能看到，它的演化結(jié)束了，已經(jīng)以超新星的形式爆炸。但是終究會(huì)有些遺跡，所以各國(guó)天文學(xué)家都極力去尋找這類(lèi)恒星，做了幾十年的努力，也進(jìn)行了各種嘗試。

在過(guò)去的幾十年中，全世界的科學(xué)家都在苦苦追尋第一代恒星。由于第一代恒星的壽命極短，大約會(huì)在幾百萬(wàn)年內(nèi)變成超新星而終結(jié)，直接觀測(cè)到的難度極大。因此，銀河系考古領(lǐng)域一直致力于通過(guò)貧金屬星，也就是金屬含量低的恒星來(lái)研究第一代恒星，部分金屬含量低于太陽(yáng)百分之一的極貧金屬星可能誕生于第一代恒星終結(jié)時(shí)形成的氣體云，能夠保留第一代恒星演化產(chǎn)物的特征，這些第二代恒星便成為揭示第一代恒星演化歷史的“活化石”。

清華大學(xué)物理系教授、超新星及時(shí)域天文學(xué)觀測(cè)領(lǐng)域?qū)＜彝鯐凿h：超新星爆發(fā)時(shí)，將恒星演化時(shí)合成的元素以及爆發(fā)時(shí)形成的更重的元素拋射到星際空間中，影響了周?chē)请H氣體的金屬含量。氣體在引力的作用下重新凝聚形成的新一代恒星，其金屬含量也就提高了。它們攜帶了父輩恒星演化及爆發(fā)形成的元素印記，這些元素印記能幫助我們追蹤其父輩恒星的性質(zhì)以及其爆發(fā)死亡的物理機(jī)制，這就好比我們通過(guò)查孩子的DNA能夠追尋其父母的特性。

LAMOST巡天攬星

發(fā)現(xiàn)第一代超大質(zhì)量恒星存在證據(jù)

長(zhǎng)期以來(lái)，觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的超新星的前身星普遍小于100倍太陽(yáng)質(zhì)量。然而，理論研究表明，第一代恒星的質(zhì)量應(yīng)該可以達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的數(shù)百倍。研究認(rèn)為，如果140-260倍太陽(yáng)質(zhì)量的第一代恒星曾存在過(guò)，它們會(huì)演化成“對(duì)不穩(wěn)定超新星”，但人們一直未能從觀測(cè)上發(fā)現(xiàn)其存在的相關(guān)證據(jù)。也就是說(shuō)，第一代超大質(zhì)量恒星和它的演化產(chǎn)物只出現(xiàn)在理論層面。這一次，中國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）低分辨率光譜和日本昴星團(tuán)（Subaru）望遠(yuǎn)鏡高分辨率光譜數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了實(shí)實(shí)在在的證據(jù)——一顆化學(xué)豐度極為特殊的恒星。

國(guó)家天文臺(tái)副研究員、論文第一作者邢千帆：我們發(fā)現(xiàn)了一顆化學(xué)豐度極為特殊的恒星，它的鈉含量是所有已知恒星中最低的。同時(shí)，它也具有特別強(qiáng)的“奇偶效應(yīng)”，“奇偶效應(yīng)”就是原子序數(shù)為奇數(shù)的元素含量遠(yuǎn)低于相鄰的原子序數(shù)為偶數(shù)的元素含量，它們含量的差值特別大。這種強(qiáng)烈的“奇偶效應(yīng)”只能是由對(duì)不穩(wěn)定超級(jí)星來(lái)產(chǎn)生，那這種對(duì)不穩(wěn)定超級(jí)星就對(duì)應(yīng)了140-260倍太陽(yáng)質(zhì)量之間的第一代恒星，首次證實(shí)了存在這種260倍太陽(yáng)質(zhì)量的第一代恒星。

這一成果的發(fā)現(xiàn)刷新了人們對(duì)第一代恒星質(zhì)量分布的認(rèn)知，在這個(gè)過(guò)程中，郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）功不可沒(méi)。郭守敬望遠(yuǎn)鏡全稱(chēng)“大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡”，由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)承擔(dān)研制，突破了望遠(yuǎn)鏡大視場(chǎng)與大口徑難以兼得的瓶頸，是目前世界上口徑最大的大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡，也是光譜獲取率最高的望遠(yuǎn)鏡。這顆恒星的發(fā)現(xiàn)，可以說(shuō)是“500萬(wàn)里挑一”。

邢千帆：郭守敬望遠(yuǎn)鏡主要是對(duì)海量的恒星光譜進(jìn)行收集，形成一個(gè)數(shù)據(jù)集，它覆蓋到了很多恒星，給我們的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。我們用到的恒星光譜是500萬(wàn)條，一條一條去計(jì)算元素的豐度，逐步去篩，把最特殊的找出來(lái)。為什么幾十年了大家都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗∩倭恕?/p>

實(shí)際上，這顆恒星也是迄今發(fā)現(xiàn)的最為古老的恒星。這項(xiàng)研究不僅從觀測(cè)上證實(shí)了第一代恒星的質(zhì)量可以達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的數(shù)百倍，同時(shí)對(duì)元素起源、宇宙早期的恒星形成和星系化學(xué)演化等方面的研究將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。從今年9月開(kāi)始，郭守敬望遠(yuǎn)鏡將開(kāi)啟第三期光譜巡天計(jì)劃。未來(lái)期待能夠利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)更多化學(xué)豐度特殊的恒星，進(jìn)一步確定恒星初始質(zhì)量函數(shù)，從而加深對(duì)銀河系演化歷史的理解。

邢千帆：因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在只發(fā)現(xiàn)了一顆260倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，但是質(zhì)量的分布現(xiàn)在還不清楚。那有沒(méi)有200倍或者180倍的太陽(yáng)質(zhì)量的恒星？我們都需要去進(jìn)行觀測(cè)驗(yàn)證。這就需要從郭守敬望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的樣本里發(fā)現(xiàn)更多的同類(lèi)型的不穩(wěn)定超新星，這樣就可以把140-260倍太陽(yáng)質(zhì)量恒星之間的質(zhì)量分布做出來(lái)，這對(duì)于研究星系的形成和演化都是特別重要的。