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宇宙大爆炸后產(chǎn)生的第一代恒星給宇宙帶來第一縷曙光，是終結(jié)黑暗時代的起始點(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)到太陽質(zhì)量的數(shù)百倍，但人們一直未能從觀測上發(fā)現(xiàn)相關(guān)證據(jù)。

天文學(xué)家對恒星的“考古”又有了新進(jìn)展。借助于國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）強(qiáng)大的觀測能力，中國科學(xué)院國家天文臺趙剛研究員帶領(lǐng)的國際研究團(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倍太陽質(zhì)量的第一代恒星的存在，刷新了人們對第一代恒星質(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)界評價(jià)這是近十年來第一代恒星研究領(lǐng)域最重要的成果之一？

(資料圖)

“太陽的祖先”蹤跡難覓

恒星“考古”如何開展？

什么是第一代恒星？其實(shí)，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(zhì)對于我們認(rèn)識恒星、星系和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成至關(guān)重要。

國家天文臺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，可是我們在觀測上從來沒有發(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。但是終究會有些遺跡，所以各國天文學(xué)家都極力去尋找這類恒星，做了幾十年的努力，也進(jìn)行了各種嘗試。

在過去的幾十年中，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，大約會在幾百萬年內(nèi)變成超新星而終結(jié)，直接觀測到的難度極大。因此，銀河系考古領(lǐng)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(jié)時形成的氣體云，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、超新星及時域天文學(xué)觀測領(lǐng)域?qū)＜彝鯐凿h：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(zhì)以及其爆發(fā)死亡的物理機(jī)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(zhì)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(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)到太陽質(zhì)量的數(shù)百倍。研究認(rèn)為，如果140-260倍太陽質(zhì)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(guān)證據(jù)。也就是說，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(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，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)”只能是由對不穩(wěn)定超級星來產(chǎn)生，那這種對不穩(wěn)定超級星就對應(yīng)了140-260倍太陽質(zhì)量之間的第一代恒星，首次證實(shí)了存在這種260倍太陽質(zhì)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(zhì)量分布的認(rèn)知，在這個過程中，郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）功不可沒。郭守敬望遠(yuǎn)鏡全稱“大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡”，由中國科學(xué)院國家天文臺承擔(dān)研制，突破了望遠(yuǎn)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(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)，可以說是“500萬里挑一”。

邢千帆：郭守敬望遠(yuǎn)鏡主要是對海量的恒星光譜進(jìn)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(chǔ)。我們用到的恒星光譜是500萬條，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。為什么幾十年了大家都沒有發(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)研究不僅從觀測上證實(shí)了第一代恒星的質(zhì)量可以達(dá)到太陽質(zhì)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(xué)演化等方面的研究將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。從今年9月開始，郭守敬望遠(yuǎn)鏡將開啟第三期光譜巡天計(jì)劃。未來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倍太陽質(zhì)量的恒星，但是質(zhì)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(zhì)量的恒星？我們都需要去進(jìn)行觀測驗(yàn)證。這就需要從郭守敬望遠(yuǎn)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(zhì)量恒星之間的質(zhì)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。

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