我们发现了迄今为止最古老的恒星，它的“父亲”是个“大胖子”

提起恒星，大家最想到的一定是太阳，但是太阳是一颗年轻的恒星，其年龄只有40多亿年。是否存在比太阳更为古老的恒星？宇宙中辈分最高、诞生最早的恒星又是什么样子的呢？

最新研究告诉我们，宇宙第一代的恒星里有“大胖子”。

2023年6月7日，国际学术期刊《自然》在线发表了中国科学院天文台赵刚研究员带领的国际团队的一项重要成果，研究团队率先在银晕恒星中发现了第一代超大质量恒星演化后坍缩形成的对不稳定超新星（pair-instability supernova, PISN）存在的化学证据。该成果证实这一超新星源自于一颗第一代超大质量恒星，其质量高达260倍太阳质量，刷新了人们对第一代恒星质量分布的认知。

这个结论，其实是从第一代恒星的“化石”中得出的。让我们穿越亿万年的时间，一起开启“恒星考古”之旅。

虽然第一代恒星基本已经不存在了，但是你我身上都有它的印记

天文学家惯将宇宙中最早诞生的一批恒星称为第一代恒星，也叫做星族III恒星。宇宙学理论认为，138亿年前大爆炸产生了宇宙，在宇宙刚诞生的一段时间内，到处都是一片黑暗，宇宙大爆炸之后约1-2亿年，才诞生了最古老的第一代恒星，发出照亮宇宙的第一缕曙光，也开启了宇宙中化学元素演变的序幕。

宇宙大爆炸后只产生了氢、氦和极少量的锂元素，人们普遍认为第一代恒星诞生于宇宙最早期几乎不含有任何金属元素（在天文学上，除了氢和氦之外的元素都统称为金属元素）的气体云中，这里无法有效地通过辐射来冷却（氢和氦原子的第一激发能级高于金属元素的激发能级），因此这些最古老的第一代恒星大气层中的金属含量极低，只存在氢、氦和极少量的锂。

在原始的气体云中形成了第一代恒星示意图 （图片来源：NASA）

理论认为第一代恒星的质量非常大[1][2]，处于几十到数百倍太阳质量之间，而寿命仅有几百万年（因为恒星越“胖”寿命越“短”），因此早在130多亿年前，绝大部分第一代恒星就以剧烈的超新星爆发的形式结束了一生。

第一代恒星的超新星爆发（图片来源：国家天文台）

在这个过程中，核聚变反应产生新的金属元素喷射到周围的环境中，这些金属有助于气体云的辐射冷却，让气体云可以孕育出质量更小、寿命更长的第二代恒星。一代又一代的恒星“前仆后继”，每一代新诞生的恒星的金属含量都会比它的祖先上一代稍微多一点点，宇宙中化学元素的种类和数量不断地增加。可以说，构成我们身体的很多种元素最初都是由第一代恒星产生的。

然而，第一代恒星的寿命如此之“短”，因此直接观测到第一代恒星的难度极大。直到今天，天文学家仍未在观测上真正看到过第一代恒星，“它们到底有多大”（术语称为质量分布）也一直成为天文学家研究的热点。

第二代恒星：我是第一代恒星的“活化石”

正所谓“一鲸落，万物生”，大质量的第一代恒星虽然已经消失了，但它们以超新星爆发的形式终结时，释放的金属元素被第二代恒星继承并保留了下来。

第一代恒星遗迹孕育第二代恒星（图片来源：国家天文台）

其中一些第二代恒星的质量很小，甚至低于太阳的质量，因此寿命也比较长，它们可以存活到现在并被天文学家直接观测到，是我们现在能够直接观测到的最古老的恒星。这些第二代恒星的金属含量很低，比如它们的铁含量甚至不足太阳铁含量的百分之一，天文学家惯称它们为贫金属星。

长期以来，天文学家一直致力于通过寻找金属含量极低的第二代恒星来研究和追溯第一代恒星的性质，这些携带着第一代恒星化学“基因”的贫金属星如同“活化石”般记录着宇宙最古老的历史。因此找到它们对于了解宇宙大爆炸后早期发生的故事具有重要意义。

通过分析这些现存的小质量第二代恒星的化学组成（所含元素的种类和含量），天文学家可以结合超新星理论模型反推出组成它的物质源自何种性质的第一代恒星，这种分析过程，被天文学家们形象地称之为“恒星考古”。

而且，如果找到了特殊的第二代恒星，还可能有意外收获！

一颗携带特殊证据的 “活化石”，揭示了两个“幼年”宇宙的秘密

本研究中，研究人员不但确认了迄今为止质量最大的第一代恒星，还首次证实了一种特殊超新星的存在。

首先给大家讲讲第一代恒星“死亡”的过程：

通常小于100倍太阳质量的第一代恒星都以核坍缩型超新星爆发的形式结束生命；而介于140-260倍太阳质量的第一代恒星，其核心处产生的正负电子对会减弱恒星内部的辐射压力，并导致恒星坍缩形成对不稳定超新星（PISN）。

与核坍缩型超新星相比，理论预言对不稳定超新星的产物具有极为特殊的化学元素组成[4]，最主要的特征是原子序数为奇数的元素含量远小于相邻的原子序数为偶数的元素含量，也称为“奇偶效应”，比如钠比镁和钴比镍。因此，由对不稳定超新星产物演化形成的第二代恒星也会呈现出罕见的化学丰度模式，这为寻找第一代超大质量恒星的化学遗迹提供了线索。

但是，以上均是理论研究，并且贫金属星样本的规模有限，人们始终没有找到大于100倍太阳质量[3]的第一代恒星和它“死亡”形成的对不稳定超新星的观测证据。

在本研究中，研究团队基于我们大型光谱巡天望远镜LAMOST，曾开启了国际上最大规模的贫金属星搜寻项目[5]，获得了包含上万颗贫金属星的样本，相当于拿到了大量研究恒星考古和早期宇宙化学演化的“活化石”。

研究团队随后利用日本昴星团望远镜精确确定了一大批贫金属星的化学元素组成，率先发现了一颗化学元素含量极为特殊的恒星，它是目前已知恒星中钠含量最低的恒星，该恒星的化学丰度还显示出了强烈的“奇偶效应”。

通过恒星光谱，获知恒星的化学元素组成（图片来源：国家天文台）

这颗恒星的种种化学基因特征表明它无法通过核坍缩超新星理论模型来解释，却与260倍太阳质量的PISN理论计算结果高度吻合。因此，天文学家认为这是一颗保留了PISN化学遗迹的贫金属星，为一直以来未能露面的第一代超大质量恒星及其演化形成的PISN提供了清晰的观测证据。

可以说，这颗恒星的“父辈”是一个260倍太阳质量的“大胖子”，由于它的“父辈”的寿命非常短，它也可以说是迄今为止观测到的最古老恒星了。

化学丰度特殊恒星LAMOST J1010+2358与超新星模型的比较。红色圆点代表LAMOST J1010+2358的元素丰度，黑色实线分别表示前身星质量为10倍太阳质量的核坍缩超新星(a); 85倍太阳质量的核坍缩超新星(b); 260倍太阳质量的对不稳定超新星(c)。

照亮 “恒星考古”之路

这一特殊恒星的发现，首次让天文学家找到了第一代超大质量恒星及其演化产物对不稳定超新星存在的观测证据，并从观测上证实第一代恒星的质量可以达到太阳质量的数百倍，揭示了对不稳定超新星在宇宙早期化学增丰过程中贡献了大量金属元素，对研究第一代恒星的初始质量的分布规律意义重大，并将对元素起源、宇宙早期的恒星形成和星系化学演化等方面的研究产生深远影响。

组成世界和我们身体的元素是在何时、何地以何种方式形成，它们又是如何驱动了生命的诞生，这些问题的答案也许就隐藏在恒星演化的历史之中。

未来，期待天文学家能够利用LAMOST和中国空间站工程巡天望远镜发现更多化学元素含量特殊的恒星，使人类可以通过捕捉更多第一代恒星留下的化学遗迹，沿着宇宙时光隧道穿越到远古，认识和了解最高辈分的第一代恒星和早期宇宙的“本来面貌”。

第一代超大质量恒星演化成为对不稳定超新星的艺术展示图。对不稳定超新星将富含多种元素的物质抛射到星际介质中，辅助下一代恒星的形成。

参考文献：

[1]Susa, H., Hasegawa, K. & Tominaga, N. The Mass Spectrum of the First Stars, Astrophys. J. 792, 32 (2014)

[2]Abel, T., Bryan, G. L. & Norman, M. L. The Formation and Fragmentation of Primordial Molecular Clouds. Astrophys. J. 540, 39–44 (2000)

[3]Ishigaki, M. N., Tominaga, N., Kobayashi, C. & Nomoto, K. The Initial Mass Function of the First Stars Inferred from Extremely Metal-poor Stars. Astrophys. J. 857, 46 (2018)

[4]Heger, A. & Woosley, S. E. The Nucleosynthetic Signature of Population III. Astrophys. J. 567, 532–543 (2002)

[5]Zhao, G., Zhao, Y.-H., Chu, Y.-Q., Jing, Y.-P. & Deng, L.-C. LAMOST spectral survey — An overview. Research in Astron. and Astrophys. 12, 723–734 (2012)

作者：邢千帆 李双

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