宇宙大爆炸后產生的第一代恒星給宇宙帶來第一縷曙光，是終結黑暗時代的起始點，也主導著早期宇宙演化歷史。理論研究表明，第一代恒星的質量可以達到太陽質量的數(shù)百倍，但人們一直未能從觀測上發(fā)現(xiàn)相關證據(jù)。

天文學家對恒星的“考古”又有了新進展。借助于國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST）強大的觀測能力，中國科學院國家天文臺趙剛研究員帶領的國際研究團隊在世界上首次發(fā)現(xiàn)了第一代超大質量恒星的化學遺跡，該成果證實了一顆質量高達260倍太陽質量的第一代恒星的存在，刷新了人們對第一代恒星質量分布的認知。這一研究成果6月7日在國際學術期刊《自然》上發(fā)表。那么，郭守敬望遠鏡為這一成果的發(fā)現(xiàn)提供了怎樣的助力？為什么業(yè)界評價這是近十年來第一代恒星研究領域最重要的成果之一？

“太陽的祖先”蹤跡難覓

【資料圖】

恒星“考古”如何開展？

什么是第一代恒星？其實，我們賴以生存的太陽已經(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對于我們認識恒星、星系和宇宙大尺度結構的形成至關重要。

國家天文臺天體豐度與星系演化團組首席研究員、論文通訊作者趙剛：理論天體物理學家提出了一個假設，他們提出，宇宙大爆炸之后形成的第一代恒星其實并不是我們今天看到的恒星分布，而是由一些大質量和超大質量恒星組成的第一代恒星，可是我們在觀測上從來沒有發(fā)現(xiàn)。當然，因為演化的關系我們不可能看到，它的演化結束了，已經(jīng)以超新星的形式爆炸。但是終究會有些遺跡，所以各國天文學家都極力去尋找這類恒星，做了幾十年的努力，也進行了各種嘗試。

在過去的幾十年中，全世界的科學家都在苦苦追尋第一代恒星。由于第一代恒星的壽命極短，大約會在幾百萬年內變成超新星而終結，直接觀測到的難度極大。因此，銀河系考古領域一直致力于通過貧金屬星，也就是金屬含量低的恒星來研究第一代恒星，部分金屬含量低于太陽百分之一的極貧金屬星可能誕生于第一代恒星終結時形成的氣體云，能夠保留第一代恒星演化產物的特征，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”。

清華大學物理系教授、超新星及時域天文學觀測領域專家王曉鋒：超新星爆發(fā)時，將恒星演化時合成的元素以及爆發(fā)時形成的更重的元素拋射到星際空間中，影響了周圍星際氣體的金屬含量。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以及其爆發(fā)死亡的物理機制，這就好比我們通過查孩子的DNA能夠追尋其父母的特性。

LAMOST巡天攬星

發(fā)現(xiàn)第一代超大質量恒星存在證據(jù)

長期以來，觀測發(fā)現(xiàn)的超新星的前身星普遍小于100倍太陽質量。然而，理論研究表明，第一代恒星的質量應該可以達到太陽質量的數(shù)百倍。研究認為，如果140-260倍太陽質量的第一代恒星曾存在過，它們會演化成“對不穩(wěn)定超新星”，但人們一直未能從觀測上發(fā)現(xiàn)其存在的相關證據(jù)。也就是說，第一代超大質量恒星和它的演化產物只出現(xiàn)在理論層面。這一次，中國的研究團隊結合郭守敬望遠鏡（LAMOST）低分辨率光譜和日本昴星團（Subaru）望遠鏡高分辨率光譜數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了實實在在的證據(jù)——一顆化學豐度極為特殊的恒星。

國家天文臺副研究員、論文第一作者邢千帆：我們發(fā)現(xiàn)了一顆化學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，它也具有特別強的“奇偶效應”，“奇偶效應”就是原子序數(shù)為奇數(shù)的元素含量遠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。這種強烈的“奇偶效應”只能是由對不穩(wěn)定超級星來產生，那這種對不穩(wěn)定超級星就對應了140-260倍太陽質量之間的第一代恒星，首次證實了存在這種260倍太陽質量的第一代恒星。

這一成果的發(fā)現(xiàn)刷新了人們對第一代恒星質量分布的認知，在這個過程中，郭守敬望遠鏡（LAMOST）功不可沒。郭守敬望遠鏡全稱“大天區(qū)面積多目標光纖光譜天文望遠鏡”，由中國科學院國家天文臺承擔研制，突破了望遠鏡大視場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望遠鏡，也是光譜獲取率最高的望遠鏡。這顆恒星的發(fā)現(xiàn)，可以說是“500萬里挑一”。

邢千帆：郭守敬望遠鏡主要是對海量的恒星光譜進行收集，形成一個數(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。我們用到的恒星光譜是500萬條，一條一條去計算元素的豐度，逐步去篩，把最特殊的找出來。為什么幾十年了大家都沒有發(fā)現(xiàn)，因為它太稀少了。

實際上，這顆恒星也是迄今發(fā)現(xiàn)的最為古老的恒星。這項研究不僅從觀測上證實了第一代恒星的質量可以達到太陽質量的數(shù)百倍，同時對元素起源、宇宙早期的恒星形成和星系化學演化等方面的研究將產生深遠影響。從今年9月開始，郭守敬望遠鏡將開啟第三期光譜巡天計劃。未來期待能夠利用郭守敬望遠鏡發(fā)現(xiàn)更多化學豐度特殊的恒星，進一步確定恒星初始質量函數(shù)，從而加深對銀河系演化歷史的理解。

邢千帆：因為我們現(xiàn)在只發(fā)現(xiàn)了一顆260倍太陽質量的恒星，但是質量的分布現(xiàn)在還不清楚。那有沒有200倍或者180倍的太陽質量的恒星？我們都需要去進行觀測驗證。這就需要從郭守敬望遠鏡觀測的樣本里發(fā)現(xiàn)更多的同類型的不穩(wěn)定超新星，這樣就可以把140-260倍太陽質量恒星之間的質量分布做出來，這對于研究星系的形成和演化都是特別重要的。