宇宙中第一批恆星存在被證實！中科院最新成果，數據來自韋布望遠鏡_風聞

　　羿閣 發自 凹非寺

　　量子位 | 公眾號 QbitAI

　　還記得韋布望遠鏡（JWST）發佈時立下的flag嗎？

　　觀測宇宙大爆炸後出現的第一批天體、觀測星系隨時間如何生長、尋找太陽系外宜居行星……

　　現在有一點它真的做到了！背後的團隊竟然還來自中國科學院。

　　具體來説，研究者們對韋布望遠鏡傳回的2000多個光譜數據進行分析，在一個遙遠星系中發現了關鍵的氦II特徵。

　　這也恰恰證實了由氫、氦作為主要元素組成的第一批恆星的存在。

　　要知道，從這一概念被提出以來，還從未有人直接觀測到它的身影。

　　就連團隊帶頭人王鑫都對Quanta Magazine感慨：“這太不真實了”。

　　目前，相關論文預印本已在Arxiv發表，正在等待Natu****re的同行評議。

　　第一批恆星何時出現？

　　約138億年前宇宙大爆炸發生後，最初，物質只能以電子光子和中微子等基本粒子的形態存在。

　　40萬年過去，當熾熱的輻射逐漸冷卻下來，中性原子不再被電離，引力開始發揮它的主導作用。

　　此時宇宙中的主要成分為氣態物質，其中氫元素佔據了宇宙物質總量的92%，其餘為氦元素以及不到1%的鋰元素，金屬元素非常少。

　　在這樣的環境下，當氫和氦被重力擠壓，凝結成巨大的氣體球，一旦氣體球密度足夠大，就會點燃中心處的核聚變反應，第一批恆星就這樣誕生了。

　　這些恆星還有另一個名字，叫第三星族（Population III）星。

　　與之對應的是，其他我們可以觀察到的所有恆星則被分為第二星族和第一星族，二者的區別是年齡不同：

　　第一星族更年輕，含有更多的重元素，而第二星族更古老，重元素含量少。

　　1984年，英國天體物理學家伯納德 · 卡爾(Bernard Carr)在其論文中推測，第三星族星的尺寸可能非常巨大，其質量可能是太陽的幾百到十萬倍。

　　它們會散發藍色的光芒，表面温度約為5萬°C（太陽的表面温度僅為5500°C）。

　　這一巨大的比例也意味着第一批恆星的壽命會很短，最多隻能持續幾百萬年。並且，它們在宇宙中的存在時間也只有幾億年，最後原始氣體都會隨之消散。

　　正因如此，找到它們存在的證據一直是個很大的挑戰，而韋布望遠鏡的出現給了天文學家新的方向。

　　新契機出現

　　隨着2021年12月詹姆斯韋布空間望遠鏡發射，許多科學家都開始用它進行觀測。

　　韋布望遠鏡比之前的哈勃望遠鏡更加優化，搭配有紅外線觀測設備，可以使用紅外波段觀察宇宙。

　　對於最初形成的恆星和行星，他們往往會隱藏在吸收可見光的塵埃雲後面。但這些區域發出紅外光卻能穿透這層籠罩，揭示其內部信息。

　　因此紅外光波對觀察宇宙深處非常重要。

　　即使恆星已經死亡，光學信號可能會逐漸減弱，但恆星逐漸加劇的核聚變反應，反而會散發出更加強烈的紅外線信號。

　　早在1999年，科羅拉多大學博爾德分校天文學家Boulder就做出推測，當每個原子的剩餘電子在能級之間跳躍時，恆星應該會產生一個泄露信號：

　　氦II發出的特定頻率的光，或者缺少一個電子的氦原子。

　　曼徹斯特大學的天文學家James Trussler對此解釋説:

　　氦的發射實際上並非來自恆星本身，而是由恆星熱表面的高能光子撞擊恆星周圍的氣體時產生的。

　　遵循着這一思路，來自中科院的王鑫團隊對韋布望遠鏡傳回的超過2000多個光譜數據進行分析，發現了一個在宇宙大爆炸後6.2億年出現的遙遠星系。

　　這個星系由兩部分組成，其中一半具有氦II與其他元素混合的關鍵特徵，這也代表着一個由數千顆第三星族星和其他恆星組成的混合種羣。

　　儘管該星系後半部分的光譜分析尚未完成，但從它的亮度來看，其中藴含的第三星族星數量可能更多。

　　目前該論文還處於等待同行評議狀態，對於這一結果，許多科學家都表現出了謹慎的態度。

　　一位在加利福尼亞大學研究計算機模擬行星的物理學家Mike Norman提出質疑：第三星羣的恆星和後來的恆星真的可以如此容易地混合在一起嗎？

　　樸次茅斯大學的天體物理學家Daniel Whalen也站在中立的角度表示：

　　這很可能是宇宙中第一批恆星的“第一個直接證據”，但並不絕對，例如黑洞也能產生類似的氦II信號。

　　對此，王鑫的回應是，可以排除黑洞的可能性，因為他們沒有檢測到特定的氧氣、氮氣或電離碳特徵。

　　正如這位網友所説，不管最終是否成立，這無疑都是一個非常重要的觀察結果。

　　論文鏈接放在文末，感興趣的小夥伴可以自取～

　　論文鏈接：

　　https://arxiv.org/abs/2212.04476

　　參考鏈接：

　　[1]https://www.quantamagazine.org/astronomers-say-they-have-spotted-the-universes-first-stars-20230130/

　　[2]https://news.ycombinator.com/item?id=34580947

　　[3]https://twitter.com/Astro_Jonny/status/1620084214334107654