迄今為止最古老的恆星被發現！居然就在銀河系裏？ | 薛永泉_風聞

最近，中國科學家有個重大發現。中國科學院國家天文台領銜的一個國際研究團隊，發現有一顆小質量恆星的父輩是一顆質量高達260倍太陽質量的第一代超大質量恆星，這顆小質量恆星由此成為迄今已知最為古老的恆星，刷新了人們對於第一代恆星質量分佈的認知。有趣的是，這顆恆星就在我們自己家門口——在銀河系裏面。這一成果在2023年6月7日發表於國際科學期刊《自然》。

第一代恆星

為了理解這個發現的意義，我們首先要解釋一下恆星演化史。宇宙大爆炸以後，一開始是沒有天體的，宇宙處於所謂的“黑暗時代”。大概在大爆炸之後的1至2億年裏，第一代恆星形成了，形成它們的原材料主要是宇宙原初核合成產生的輕元素——大量的氫、氦與極少量的鋰。

天文學裏有個很特殊的詞，叫做“金屬”。我們平常會認為碳、氮、氧等很多元素都是非金屬，但天文學中卻把它們都稱為金屬。實際上，天文學的定義是，只要是比氫和氦重的，都叫做金屬！這是因為，宇宙中大部分的物質是氫，其次是氦，比這倆重的幾乎都是通過核聚變產生的，含量就少得多了。因此在天文學家看來，不管你是鋰還是碳還是氧，都一鍋燉了吧，你們都是少數派，都是通過一些少見的過程產生的，都叫做金屬。

好，我們前面説的形成第一代恆星的原材料，就是由輕元素構成的貧金屬氣體雲團。這樣的氣體雲團如果要形成恆星，就得是塊頭非常大、質量非常大，使得引力足以克服熱壓力，從而塌縮形成第一代恆星（見圖1）。這樣一來，第一代恆星往往質量很大，有的甚至高達幾百倍太陽質量。這比它們後代恆星的質量要大很多，後者的質量最大也就是幾十倍太陽質量。

恆星的壽命跟質量，是什麼關係？外行很可能以為，質量越大，燃料就越多，燒得就可以越久。但實際正相反，質量越大，壽命越短！這是因為質量越大，核聚變就越劇烈，單位時間內消耗的質量比總質量本身增長得更快，所以結果是壽命變得更短。也就是説，質量越小，苟得越久。你可以選擇作為大質量恆星輝煌燦爛地度過短暫的一生，也可以選擇作為小質量恆星悶聲發大財地苟到宇宙盡頭。

第一代恆星的質量非常巨大，因此它們的壽命非常短，往往只有數百萬年，遠遠短於太陽的壽命約100億年。跟能苟上萬億年的紅矮星相比，更是倏忽而逝。

圖1 原初氣體雲團形成第一代恆星的示意圖（圖源：美國宇航局）

第一代恆星的質量如果在100倍太陽質量以下，到最後核聚變反應停止的時候，星體會塌縮，產生超新星爆炸，中心的恆星核可能塌縮形成黑洞。爆炸過程會把核聚變形成的重元素拋散到星際空間裏，這就是星際介質中的元素增豐過程（見圖2）。由於第一代恆星的壽命往往非常短，很難發現，所以到目前為止，人們還沒有從觀測上直接發現它們的存在。

圖2 第一代恆星的超新星爆炸及其元素增豐（圖源：國家天文台）

對不穩定超新星

有意思的是，第一代恆星裏有一個比較特別的子類，它們的質量可以高達140到260倍太陽質量，它們可以產生“對不穩定超新星”（pair-instability supernova）。這個名稱是什麼意思呢？“對”指的是什麼東西的對呢？

理論研究認為，這種超大質量第一代恆星內部的核聚反應會極其劇烈，產生的光子能量會非常高，光子之間相互作用可以形成正負電子對。這樣就會導致恆星內部的輻射壓迅猛減小，導致整個星體不平衡，猛烈收縮，從而釋放出引力勢能，急劇加熱星體使其温度迅猛升高。這個過程可以非常劇烈，最終就會導致極其猛烈的超新星爆炸，這種類型的超新星就叫做對不穩定超新星（見圖3）。所以我們可以明白，這個名稱的意思是，“對”導致“不穩定”的“超新星”，“對”指的是正負電子對。

對不穩定超新星爆炸是如此得劇烈，甚至可以把整個星體的物質基本上全部都炸光、拋光了，中心就不會形成黑洞，而是會留下一顆小質量的第二代恆星。遺憾的是，到目前為止，人們還沒有觀測到對不穩定超新星爆炸，這是由於這種超大質量第一代恆星比一般的第一代恆星質量更大，壽命更短，可能就只能存活兩三百萬年，所以更難從觀測上來發現它們。

圖3 對不穩定超新星爆炸的假想圖（圖源：美國宇航局）

幸運的是，有理論研究表明，對不穩定超新星爆炸以後可以留下後代，也就是第二代恆星，其質量可以很小，比如小於太陽質量。這就意味着它們壽命很長，甚至可以與宇宙“同壽”。

由於形成第一代恆星的氣體雲團是極端貧金屬的，導致對不穩定超新星爆炸後形成的第二代恆星往往都是極端貧金屬星；更為奇特的是，它們會具有特殊的化學印跡，即所謂的“奇偶效應”——在它們的極少量的金屬元素裏，奇數號元素會比相鄰的偶數號元素的含量明顯得低。這就意味着，如果我們發現了具有“奇偶效應”的第二代小質量極端貧金屬星，就可以通過研究它們遺傳自父輩的這個“DNA”，瞭解它們的父輩對不穩定超新星與第一代恆星的性質。但以前這只是個設想，由於之前已知的小質量貧金屬星的樣本相當有限，人們並沒有在其中發現具有“奇偶效應”的恆星。

艱難的恆星“考古”

很顯然，要找到這種特殊的貧金屬星是極具挑戰的，這樣的恆星“考古”是一個非常艱鉅的任務。正所謂“工欲善其事，必先利其器”，研究人員需要找到好的設備來高效率地進行恆星“考古”。

一番考量下來，研究人員發現了一個最適合做這件事的設備，它就是中國的大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡（Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope），英文簡稱LAMOST，中文冠名為郭守敬望遠鏡。它的主鏡口徑4米，焦面上放置了4000根光纖，可以在一次觀測中分別對準4000個天體，從而同時拍攝其光譜。這裏使用的光纖定位系統是由中國科學技術大學的褚家如老師等人研製的，該技術後來被使用於多個大型望遠鏡上（見圖4）。郭守敬望遠鏡具有強大的光譜巡天能力，在它高效開展光譜巡天十多年後，它就獲得併發布了超過2000萬條恆星光譜，使其一舉成為國際上最大的恆星光譜庫。

圖4 郭守敬望遠鏡的全景圖（左上）、主鏡（左下）與光纖定位系統（右）（圖源：國家天文台）

基於郭守敬望遠鏡的海量恆星光譜數據，研究人員開展了國際上最大規模的貧金屬星搜尋項目，發現了上萬顆貧金屬星，並對其中具有極端性質的一小批源，利用口徑為8.2米的昴星團望遠鏡進行了光譜精測，更為精確地測定出它們的元素組成，由此發現了迄今已知最為古老的恆星LAMOST J1010+2358。

最古老的恆星：LAMOST J1010+2358

你可能想問，光譜是什麼意思？其實學過原子物理的人都知道，光譜就是樣品對各種波段光的選擇性吸收或發射。LAMOST最擅長的就是測這個。

圖5展示了典型的恆星光譜的樣子。光譜裏的暗線是恆星大氣吸收核區產生的輻射而形成的吸收線，每條暗線對應着一個特定元素的特定躍遷，所以我們通過研究恆星光譜就可以推知恆星的金屬元素組成。圖6顯示了一個相當大的貧金屬星樣本里恆星的金屬丰度分佈，而我們的主角——貧金屬星LAMOST J1010+2358則顯得非常“不合羣”，它的鈉元素、鎂元素、鈷元素的含量都遠低於已知的其他所有貧金屬星，另外它的鋇元素含量也幾乎是最低的。所以它可以説是貧金屬星中的貧金屬星，一貧如洗，丐幫幫主。

圖5 典型的恆星光譜（圖源：國家天文台）

圖6 貧金屬星的金屬丰度分佈（紅色記號為LAMOST J1010+2358）（圖源：Xing et al. 2023, Nature）

LAMOST J1010+2358還具有非常特殊且重要的一個特徵：它的金屬丰度分佈具有“奇偶效應”（見圖7）！這正是我們要尋找的關鍵特徵。圖7中紅色的數據點顯示，它奇數號元素的含量明顯低於相鄰的偶數號元素的含量，和理論預期結果如出一轍。

由於數據質量很好，研究人員可以做細緻的模型擬合：（1）首先假設它是第一代核塌縮超新星的後代，再假設超新星的前身星質量是10倍太陽質量，則理論預期的元素分佈跟觀測到的數據點完全無法匹配；（2）仍然考慮上一種情形，只不過把前身星的質量提高至85倍太陽質量，可以看到，理論預期和實測數據的吻合度雖然有所提高，但是差別還是很大；（3）而如果考慮一個具有260倍太陽質量的對不穩定超新星的情形，則理論預期與觀測數據完美地匹配了，觀測到的“奇偶效應”得到了完美的解釋。這樣的分析表明，極端貧金屬星LAMOST J1010+2358起源於一顆質量高達260倍太陽質量的第一代恆星的對不穩定超新星！

圖7 觀測到的LAMOST J1010+2358金屬丰度分佈與三種不同理論模型預期結果的對比（圖源：Xing et al. 2023, Nature）

結合別的觀測數據，研究人員可以更進一步瞭解LAMOST J1010+2358的性質。和銀河系裏絕大多數的恆星不一樣，它並不處於銀河系的銀盤裏，而是處於遠離銀盤的銀暈裏。它距離我們大約3327光年，跟銀河系的半徑62000光年相比，可以説它離我們是相當近的，簡直就在我們家門口。作為第二代恆星的“傑出代表”，它的質量只有0.5倍太陽質量，因而它的壽命很長，從誕生之日起就一直存活到現在，被研究人員觀測到。它的年齡應該已經達到了136到137億年，換句話説，它在宇宙大爆炸後才1到2億年的時候就已經存在了——這個時期是第一代恆星出現的大致時間。而它的260倍太陽質量的父輩的壽命僅僅只有兩三百萬年，跟它自己的年齡相比可以忽略不計，因而這顆LAMOST J1010+2358成了現今已知的最古老恆星！

大家或許有些疑惑，通常不是説越古老的天體離我們越遠嗎？這顆最古老的恆星怎麼就在銀河系裏呢？難道我們如此幸運，銀河系其實是宇宙的中心？

事實上，這是對“越古老的天體離我們越遠”的誤解。這個説法的意思是，對於那些離我們很遠的天體，我們看到的其實是它們在很早以前的樣子，因為光的傳播是需要時間的。比如説，100億光年外的天體，我們現在看到的就是它們100億年前的樣子。至於它們後來如何演化，甚至當前是否依然存在，其實我們是無從得知的，因為它們後來發出的光還來不及傳到我們這裏。

也就是説，古老的天體在哪裏都可能存在。而LAMOST J1010+2358碰巧就“藏”在我們的“後院”裏，這次被研究人員發現了它其實非常古老的年齡秘密；不同於那些遙遠的古老天體，我們看到的是它“當前”的樣子，因為它離我們算是相當“近”了。而且從觀測難度上看，肯定也是離得越近的越容易觀測到，事實上LAMOST的觀測重點就是銀河系裏的恆星光譜巡天。所以，最先找到一個銀河系內的最古老恆星，其實是非常自然的，就好比醉漢在燈光下找鑰匙，不是因為鑰匙一定在這裏，而是因為只有在這裏能找。

最古老恆星LAMOST J1010+2358的發現，首次給出了第一代超大質量恆星以及它的演化產物對不穩定超新星存在的觀測證據，表明第一代恆星的質量確實可以高達幾百倍太陽質量，遠遠比後代恆星質量大。這個發現也揭示出對不穩定超新星在宇宙早期的化學元素增豐過程裏貢獻了大量的金屬元素，有助於我們進一步理解第一代恆星的初始質量如何分佈、重元素如何起源以及宇宙早期恆星形成與星系化學演化的具體物理過程等一系列很重要的科學問題。

在將來的研究中，研究人員希望能發現更多和最古老恆星LAMOST J1010+235類似的恆星，從而深化我們對於上述科學問題的理解！

參考文獻：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06028-1，A metal-poor star with abundances from a pair-instability supernova