宇宙第一代恒星是如何诞生的？科学家极限模拟，破解百亿年前秘密

到今天，宇宙已经有大约138.2亿年的历史了。在这一百多亿年的岁月里，我们的宇宙孕育了无数的恒星。这些恒星中，最年轻的已经是宇宙第三代恒星了，比如我们的太阳。还有一些很古老的恒星，它们产生得更早，是宇宙中第二代恒星。

到了第一代恒星，情况就不一样了。它们形成于宇宙的最早期，也就是说，我们的观测设备需要观测到宇宙的边缘，才有可能看见这些恒星。但是迄今为止，我们仍然不具备如此强大的观测能力。因此，直到今天，它们仍然只存在于理论中，天文学家们知道这些恒星真实存在，却对它们无能为力。

到目前为止，人类观测到的最遥远天体叫做MACS 1149-JD，是一个距离我们大约132亿光年的星系，是天文学家利用哈勃太空望远镜拍摄的哈勃极深场图像中发现的。这意味着，它形成于132亿年前。可是，在这里，我们仍然无法找到第一代恒星。

那么，宇宙中最早的恒星，到底是什么时候诞生的呢？

（图片说明：哈勃极深场）

科学家指出：在大爆炸后38万年，我们的宇宙进入了一个非常特殊的时期，那就是宇宙黑暗时代。在长达几亿年的岁月里，宇宙中所有的氢都均匀分布，并且是以原子的形式分布着。我们知道，现在的恒星形成模型认为，星际物质要首先通过静电力出现局部的凝聚，才会引发引力的滚雪球效应，从而形成恒星或者行星。而在宇宙黑暗时代，氢都是以原子形式存在，就无法形成静电力。

整个宇宙一片死寂，仿佛已经死亡。

但是，因为某个未知的原因，有一些氢被电离了。就像我们刚才提到的模型一样，开始有天体形成，那就是第一代恒星。第一代恒星通过辐射和超新星爆发，促使更多恒星形成，今天的宇宙才如此丰富多彩。

理论简单，验证却很难。黑暗时代的宇宙充满了气体云，遮挡了可见光和红外线，让我们无法观测。因此，当时的宇宙中到底发生了什么，始终是个谜。甚至在未来短时间内，我们都很难具备对这个时期进行观测的能力。

但是，科学家不会放弃。

来自佐治亚理工学院的相对论天体物理学中心（CfRA）的一个研究团队通过计算机模拟过程，描述了第一代恒星形成的过程，让我们可以一窥那个时代的秘密。

根据目前的理论，第一代恒星最早形成于大爆炸后1亿年左右。当时的宇宙只有氢以及极少量的氦以及更加微量的锂，这也是第一代恒星的原料。这些元素坍缩形成了第一代恒星，它们的质量普遍可以达到太阳的1000倍。

如此大质量的恒星都有着很短的寿命，大概只用几百万年，第一代恒星就能烧完所有的燃料并死亡。但是，在核聚变和超新星爆发过程中，就会有更重的元素产生，因此第二代恒星中就会有碳、氧等元素，它们又被称作碳增丰贫金属星。

（图片说明：光谱是探测恒星元素含量的重要手段）

由于第一代恒星目前是不可能被观测到的，因此这些最早形成的第二代恒星就成了宇宙中的活化石。它们内部所包含的元素种类和比例等信息，就像是它们的指纹，可以告诉我们很多信息，这些也是第一代恒星留下的痕迹。

为了完成这次模拟过程，研究人员借助了佐治亚理工学院的PACE计算机集群，同时还利用了德克萨斯高级计算机中心的Stampede2超级计算机、美国国家科学基金会的极端科学和工程发现环境及其赞助的Frontera系统（世界上最快的学术超级计算机）、以及圣地亚哥超级计算机中心的Comet计算机集群等设备，来探索第一代宇宙的秘密。

（图片说明：Stampede2）

正是凭借这些计算机集群的强大计算能力，研究团队实现了对第一代恒星的超新星爆发进行建模。结果显示，那些贫金属恒星通过吸收第一代恒星喷射出的物质，从而获得了碳增的结果。

同时，他们的模拟还预言了另一种恒星，这种恒星体积相对比较小，并且金属元素的含量极低。这些恒星今天仍然存在于我们的宇宙中，只不过人类目前还没有发现。

CfRA的博士后研究员Gen Chiaki描述说：“我们发现，与已经观测到的碳增恒星相比，这样的恒星只含有很少量的铁，甚至只有太阳的几十亿分之一。不过，我们可以看到一些气体云的碎片，这暗示我们：低质量恒星是在低铁丰度体系中形成的。这样的恒星我们现在还没有观测到，而我们的研究正是提供了最早期恒星形成的一种理论。”

近些年来，星系考古学正在迅速发展，成为了天文学领域的一个热门方向。就像考古学家通过化石和各种遗迹来推测古生物和远古气候环境的信息一样，该领域的科学家们也在尝试对古老的恒星进行观测和研究，以求了解更早期的宇宙、星系和恒星所经历的起源和演化过程。这些发生在一百三十多亿年前的宇宙事件，仍然有太多谜题让我们困惑不已，这也是人类孜孜不倦所追求的真知。

Chiaki介绍说：他们接下来的研究内容将不仅仅探索古老恒星的碳含量，还会将更多更重的元素考虑进来，进行更加宏大、完整、细致的模拟。

“这项研究旨在了解碳、氧、钙等元素的起源过程，它们是在星际介质和恒星之间往复不断的物质循环过程中累积起来的。我们的身体和我们的行星都是由碳、氧、钙这些元素构成的，，因此我们的这项研究就至关重要，可以帮助我们了解构成我们人类的元素是如何起源的。”

人类的出现固然是宇宙的奇迹，但宇宙从一个奇点演化到今天如此庞大、丰富的结构，也同样令人感到不可思议。现在宇宙中除了氢以外的大部分物质，都是通过第一代恒星形成的，使它们造就了今天壮观的宇宙。这个奇迹到底是怎么发生的，或许将在未来几年被科学家破解。