早期宇宙中 存在超過(guò)100倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星

第一代超大質(zhì)量恒星演化成為“對(duì)不穩(wěn)定超新星”的藝術(shù)展示圖。 中科院國(guó)家天文臺(tái) 供圖

郭守敬望遠(yuǎn)鏡。 中科院國(guó)家天文臺(tái)供圖

中國(guó)科學(xué)院(中科院)國(guó)家天文臺(tái)趙剛研究員領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)率先在銀暈恒星中發(fā)現(xiàn)第一代超大質(zhì)量恒星演化后坍縮形成的“對(duì)不穩(wěn)定超新星”(PISN)存在的化學(xué)證據(jù)。他們研究證實(shí)，該特殊超新星源于一顆質(zhì)量高達(dá)260倍太陽(yáng)質(zhì)量的第一代恒星，刷新了人們對(duì)第一代恒星質(zhì)量分布的認(rèn)知。這一重要天文學(xué)發(fā)現(xiàn)及研究成果論文，6月7日在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表，中外天文學(xué)家高度關(guān)注，并點(diǎn)評(píng)認(rèn)為該成果對(duì)恒星起源、銀河系演化等研究意義重大、影響深遠(yuǎn)。

證明早期宇宙存在 超100倍太陽(yáng)質(zhì)量恒星

中科院云南天文臺(tái)韓占文院士指出，在宇宙大爆炸之后，第一代恒星形成，它們僅由氫和氦組成。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，這是構(gòu)成多彩世界的第一步。理解第一代恒星的性質(zhì)，對(duì)于認(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。

韓占文表示，在過(guò)去幾十年當(dāng)中，全世界科學(xué)家都在苦苦追尋第一代恒星。經(jīng)過(guò)不懈努力，中科院國(guó)家天文臺(tái)天體豐度與星系演化團(tuán)隊(duì)從郭守敬望遠(yuǎn)鏡(大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡，英文縮寫(xiě)LAMOST)巡天數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)早期恒星，并利用日本昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡(Subaru)精確測(cè)量其元素豐度。他們發(fā)現(xiàn)第一代恒星“對(duì)不穩(wěn)定超新星”爆發(fā)產(chǎn)生的特征元素豐度。這是迄今發(fā)現(xiàn)的最清晰的此類超新星的證據(jù)，證明在早期宇宙中，確實(shí)存在超過(guò)100倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星。

第一代恒星研究 最近十年最重要成果之一

美國(guó)圣母大學(xué)教授蒂莫·比爾斯(Tim Beers)認(rèn)為，《自然》發(fā)表的這篇天文學(xué)論文是最近十年來(lái)第一代恒星研究領(lǐng)域最重要的成果之一，“我們也一直在搜尋那些保留了第一代恒星特征的恒星”。天文學(xué)家普遍認(rèn)為恒星很難形成于只含有氫和氦的環(huán)境之中，因?yàn)樵谌狈饘?天文學(xué)上稱氫和氦以外的元素為金屬)的環(huán)境中氣體需要用很長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)冷卻。宇宙中形成的超大質(zhì)量恒星的質(zhì)量必須非常大才能在氣體足夠冷卻時(shí)得以形成。而這些超大質(zhì)量恒星非常稀少，在這篇論文之前從未發(fā)現(xiàn)過(guò)相關(guān)的觀測(cè)證據(jù)證明它們?cè)?jīng)存在過(guò)。

這類超大質(zhì)量恒星的壽命很短，大約會(huì)在幾百萬(wàn)年內(nèi)變成超新星而終結(jié)，并留下特殊的化學(xué)印記。包括這篇論文的部分作者在內(nèi)的理論學(xué)家預(yù)言了質(zhì)量高于150倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星可能會(huì)留下這樣獨(dú)特的印記，但在這篇論文之前，這些印記從未被明確發(fā)現(xiàn)過(guò)。

揭示超大質(zhì)量黑洞 形成的未知機(jī)制

日本國(guó)立天文臺(tái)青木和光教授最近十年間，一直在利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡的海量光譜數(shù)據(jù)搜尋那些誕生于早期銀河系的、非常古老的恒星，并利用昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡確認(rèn)這些恒星的化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)第一代超大質(zhì)量恒星存在的證據(jù)是他們研究項(xiàng)目的一個(gè)主要目標(biāo)。他說(shuō)，本次研究發(fā)現(xiàn)的這顆恒星具有極為獨(dú)特的元素豐度，為證明第一代超大質(zhì)量恒星的超新星爆發(fā)提供了最為清晰的證據(jù)。

北京航空航天大學(xué)日籍教授梶野敏貴是宇宙學(xué)和理論核天體物理專家，此前任職東京大學(xué)與日本國(guó)立天文臺(tái)時(shí)，就與中國(guó)天文學(xué)家基于郭守敬望遠(yuǎn)鏡巡天數(shù)據(jù)開(kāi)展十多年合作。他認(rèn)為，本次發(fā)現(xiàn)以及未來(lái)許多可預(yù)期的發(fā)現(xiàn)，將會(huì)揭示早期宇宙中超大質(zhì)量黑洞形成的未知機(jī)制。

見(jiàn)證了中國(guó)郭守敬望遠(yuǎn)鏡和日本昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡多年的成功合作，“我想說(shuō)，今天的成就是這支國(guó)際團(tuán)隊(duì)通力合作的成果”。日中望遠(yuǎn)鏡合作小組現(xiàn)已站在國(guó)際天文界光譜觀測(cè)領(lǐng)域的前沿，“我們期待亞洲天文學(xué)家能夠取得更多的重大發(fā)現(xiàn)。”梶野敏貴說(shuō)道。

首次給出“對(duì)不穩(wěn)定超新星” 爆發(fā)關(guān)鍵證據(jù)

清華大學(xué)物理系教授王曉鋒表示，超新星爆發(fā)時(shí)把恒星演化時(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，從而極大改變爆發(fā)星體周?chē)男请H氣體的物質(zhì)成分。這些氣體受到超新星爆發(fā)噴射出的重元素污染而變得比之前金屬元素含量高很多，氣體在引力的作用下重新凝聚形成新一代恒星也因此具有較高的金屬含量，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。“這好比我們通過(guò)查孩子的DNA能夠追尋其父母的特性。”

王曉鋒指出，趙剛研究團(tuán)隊(duì)此次發(fā)現(xiàn)的編號(hào)為L(zhǎng)AMOST J1010+2358的極端貧金屬星與已知其他貧金屬星的金屬元素分布特性有很大差異，這些差異無(wú)法用父輩恒星經(jīng)歷塌縮爆發(fā)的模型進(jìn)行解釋，分析表明其上代恒星屬于第一代恒星經(jīng)過(guò)了“對(duì)不穩(wěn)定超新星”爆發(fā)。

他說(shuō)，這項(xiàng)研究從非常獨(dú)特的角度首次給出了宇宙早期大質(zhì)量恒星經(jīng)歷過(guò)“對(duì)不穩(wěn)定超新星”爆發(fā)的關(guān)鍵證據(jù)，對(duì)驗(yàn)證超新星爆發(fā)模型以及限制宇宙早期恒星形成理論均有極為重要的意義。

天文觀測(cè)帶來(lái) 意想不到的驚喜

趙剛研究員強(qiáng)調(diào)，這次研究發(fā)現(xiàn)第一代超大質(zhì)量恒星的化學(xué)遺跡，雖然它與天文學(xué)家研究銀河系并合形成的最初想法關(guān)系并非十分緊密，但對(duì)銀河系化學(xué)演化至關(guān)重要。銀河系化學(xué)演化正是其研究團(tuán)隊(duì)的重要研究方向之一，可以通過(guò)觀測(cè)分析具有不同年齡恒星的元素豐度來(lái)再現(xiàn)銀河系化學(xué)演化規(guī)律。

如果按照現(xiàn)在可觀測(cè)的恒星質(zhì)量分布，通過(guò)星系化學(xué)演化模型計(jì)算無(wú)法給出目前觀測(cè)的結(jié)果。為解決這個(gè)難題，理論天體物理學(xué)家提出了一個(gè)假設(shè)，即宇宙大爆炸后形成的第一代恒星主要都是超大質(zhì)量恒星，這些超大質(zhì)量恒星可以快速合成出符合今天觀測(cè)到的各種元素豐度。他們對(duì)各種大質(zhì)量、超大質(zhì)量恒星的演化及核合成產(chǎn)量進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，由此導(dǎo)致許多觀測(cè)天文學(xué)家去極力搜尋這類超大質(zhì)量恒星存在的證據(jù)，而此前一直沒(méi)有真正找到第一代超大質(zhì)量恒星存在的觀測(cè)證據(jù)。

“眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處。”趙剛援引中國(guó)古詩(shī)詞經(jīng)典名句說(shuō)，天文觀測(cè)經(jīng)常會(huì)帶給人們一些意想不到的驚喜，令人激動(dòng)不已。至于本次重要天文發(fā)現(xiàn)是意料之外的驚喜還是多年來(lái)預(yù)定目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，他認(rèn)為，既有意料之中的結(jié)果，也有意料之外的驚喜，這也是天文學(xué)持久的魅力所在。