銀河系最古老恒星遺跡是如何被中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的？

138億年前，宇宙誕生之初，大爆炸產(chǎn)生了大量的氫、氦和極其微量的鋰，于是在這樣的環(huán)境下誕生了我們宇宙中的第一代恒星，并且第一次點(diǎn)亮了整個(gè)宇宙。

2005年Science雜志創(chuàng)刊125周年之際公布了125個(gè)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題，第一代恒星就榜上有名。而時(shí)至今日，第一代恒星的性質(zhì)依然是亟待解決的重要科學(xué)問(wèn)題，甚至位列詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵科學(xué)目標(biāo)之一。

第一代恒星究竟長(zhǎng)什么樣？傳說(shuō)它們有可能個(gè)頭很大、體重很沉，但究竟能有多大？五十個(gè)太陽(yáng)？還是一百個(gè)太陽(yáng)？這些問(wèn)題困擾了天文學(xué)家許多年。

然而，就在不久前的2023年6月7日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature在線發(fā)表了中國(guó)天文學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)，他們首次在銀河系中發(fā)現(xiàn)了第一代超大質(zhì)量恒星死亡后留下的遺跡，證實(shí)這一遺跡源自于一顆對(duì)不穩(wěn)定超新星（pair-instability supernova，簡(jiǎn)稱PISN）。也就是說(shuō)，這顆第一代恒星的質(zhì)量高達(dá)太陽(yáng)的260倍！是一顆名副其實(shí)的超大質(zhì)量恒星。

助力中國(guó)天文學(xué)家完成這項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)的得力干將之一，就是我國(guó)自主創(chuàng)新研制的LAMOST望遠(yuǎn)鏡，也稱作郭守敬望遠(yuǎn)鏡。LAMOST突破了望遠(yuǎn)鏡大口徑與大視場(chǎng)難以兼得的技術(shù)瓶頸，是目前世界上口徑最大的大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡，同時(shí)也完成了世界上首個(gè)發(fā)布銀河系恒星光譜數(shù)突破千萬(wàn)的巡天項(xiàng)目。

圍繞銀河系結(jié)構(gòu)與演化、多波段天體交叉證認(rèn)、星系物理三大核心科學(xué)目標(biāo)，LAMOST已經(jīng)順利完成了為期五年的一期光譜巡天，而二期巡天也即將完美收官。在最新發(fā)布的第10次數(shù)據(jù)發(fā)布中，LAMOST獲得的光譜數(shù)據(jù)量已經(jīng)達(dá)到了世界上其他巡天望遠(yuǎn)鏡發(fā)布光譜數(shù)總和的2.9倍！利用如此豐富的海量觀測(cè)數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)外天文學(xué)家已經(jīng)在銀河系研究、恒星物理及特殊天體搜尋等領(lǐng)域取得了許多有趣而重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。比如：揭秘銀河系童年的成長(zhǎng)歷程、發(fā)現(xiàn)最大質(zhì)量恒星級(jí)黑洞、在銀河系中追蹤星系際移民恒星、改寫恒星初始質(zhì)量函數(shù)等等，都是具有國(guó)際影響力的重要突破。

星空示意圖，圖片來(lái)自圖蟲網(wǎng)

再讓我們說(shuō)回第一代恒星。這些始祖恒星大多個(gè)頭龐大、明亮奪目，但卻極其短壽。加上現(xiàn)有觀測(cè)能力的限制，今天的我們暫時(shí)無(wú)法直接看到第一代恒星。那么這次的發(fā)現(xiàn)是如何完成的呢？第一代恒星在成長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)合成制造一些比鋰更重的金屬元素，并且在結(jié)束其短暫一生的同時(shí)，通過(guò)超新星爆發(fā)將其制造的各種金屬元素噴射并埋藏在它們周圍的星際塵埃當(dāng)中。

在這些塵埃中孕育了第二代恒星，它們的表層大氣中完美的保留了第一代恒星的性質(zhì)，并且壽命足夠長(zhǎng)，能夠存活到今天、被我們看到。換句話說(shuō)，它們就相當(dāng)于宇宙化石，通過(guò)發(fā)掘這些化石恒星，并且分析它們的性質(zhì)和成分，我們就能夠反推其形成時(shí)期的環(huán)境，重現(xiàn)第一代恒星的模樣。由于這些化石恒星非常稀有，因此LAMOST提供的海量數(shù)據(jù)也為這次成功發(fā)現(xiàn)提供了至關(guān)重要的“海選”數(shù)據(jù)庫(kù)。

這次，我們不僅成功確認(rèn)了迄今為止質(zhì)量最大的第一代恒星——一個(gè)體重超過(guò)太陽(yáng)260倍的“大胖子”，同時(shí)也第一次證實(shí)了一種特殊超新星的存在。通常小于100倍太陽(yáng)質(zhì)量的第一代恒星都以核坍縮型超新星爆發(fā)的形式結(jié)束生命；而介于140-260倍太陽(yáng)質(zhì)量的第一代恒星，其核心處產(chǎn)生的正負(fù)電子對(duì)會(huì)減弱恒星內(nèi)部的輻射壓力，并導(dǎo)致恒星坍縮形成對(duì)不穩(wěn)定超新星。在此之前，對(duì)不穩(wěn)定超新星就像個(gè)傳說(shuō)，只聽(tīng)聞?dòng)诶碚?。而這一次，我們中國(guó)天文學(xué)家終于實(shí)錘了它的存在。

未來(lái)，在LAMOST和中國(guó)空間站工程巡天望遠(yuǎn)鏡等中國(guó)制造觀天利器的輔佐下，我們將構(gòu)建更大的宇宙化石樣本，重新認(rèn)識(shí)第一代恒星質(zhì)量的分布規(guī)律，揭秘元素起源，并重現(xiàn)宇宙早期恒星與星系的誕生、成長(zhǎng)的圖像。

本文為科普中國(guó)·星空計(jì)劃扶持作品

作者：李海寧

審核：中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái) 研究員 韓文標(biāo)

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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