最原始恒星的“遗传密码”

在宇宙诞生之后的约1-2亿年间，第一代恒星开始形成。作为宇宙中最早出现的“居民”，习惯上将这些最原始、最古老的恒星统称为“星族III恒星”。它们诞生于一个极为特殊的环境：当时的宇宙没有恒星和星系，仅含有宇宙大爆炸产生的氢、氦以及极少量的锂元素，整个宇宙正处于一段被称为“黑暗时期”的漫长阶段，没有光亮，也没有恒星的光辉。在这样一个几乎不含“金属”（金属指氢和氦之外的所有元素，下同）的极端贫金属环境下，第一代恒星悄然诞生。它们如同宇宙中的第一缕曙光，照亮了黑暗的宇宙，标志着宇宙历史的一个重要转折点。

第一代恒星演化形成超新星。

这些大质量的第一代恒星寿命非常短暂，仅数百万年便以超新星爆发的形式终结。在其生命的最后时刻，它们将内部核聚变产生的金属元素抛洒到周围的星际空间中，提高了星际空间原始气体云的金属含量。这种变化使得第二代恒星的形成环境与第一代截然不同，其性质也发生了显著变化。例如，理论学家就认为第一代恒星的质量极大，可能达到数百甚至上千倍太阳质量，与我们现今能直接观测到的年轻恒星的质量分布差异明显。

然而，由于这些大质量的第一代恒星诞生于宇宙的极早期，且寿命极短，直接观测到它们的难度极大，天文学家至今也未能完全理解第一代恒星的性质和形成过程。理解第一代恒星的形成与演化，又是我们理解恒星形成和宇宙化学演化的关键。因此，《科学》杂志将第一代恒星列为了125个最具挑战性的科学问题之一。目前，包括中国空间站工程巡天望远镜和美国韦布望远镜在内的先进观测设备，都将第一代恒星作为重要的科学目标。

/贫金属星：

第一代恒星的“活化石”

由于直接观测第一代恒星的难度极大，天文学家长期以来主要通过间接的观测来研究它们。在银河系及近邻星系中，有一类被称为贫金属星的恒星，它们的“金属”含量极低。这些恒星是在第一代恒星演化并爆发为超新星之后形成的，因此被称为第二代恒星。它们的外层大气保留了第一代恒星产生的金属元素，这些金属元素在外层大气中的含量各异，就像一串“遗传密码”，记录了第一代恒星的演化历史。而由于第二代恒星的质量较小，甚至低于太阳质量，使得它们可以存活至今，被天文学家直接观测到，因此，它们成为了研究第一代恒星的“活化石”。

数十年来，天文学家利用LAMOST、SDSS和Gaia等大型观测设备对数以千万计的恒星进行了系统观测，发现了大量金属丰度极低的贫金属星。通过分析这些恒星的化学成分，天文学家正在开展一项被称为“恒星考古”的研究，试图从这些古老的恒星中挖掘出第一代恒星遗存的信息，追溯它们的形成演化的历史。

在原始气体云中形成了第一代恒星。

早在二十世纪五十年代，密歇根大学的约瑟夫·张伯伦（Joseph Chamberlain）和劳伦斯·阿勒（Lawrence Aller）就发现了第一批贫金属星。其中一颗名为HD 140283的恒星，其铁含量还不到太阳的1/100，这是早期的重要发现之一。

到了二十世纪八十年代，随着观测技术的进步，贫金属星的数量迅速增加，累计达到了数百颗，恒星铁含量最低的记录也不断被刷新，例如，HK巡天发现了首颗铁含量低于太阳万分之一的恒星；麻省理工学院的安娜·弗瑞贝尔（Anna Frebel）则发现了另一颗极贫金属星——HE1327-2326，它的铁含量仅为太阳的30万分之一。截至目前，人类发现的恒星中，铁含量的最低记录已经低于太阳的千万分之一。

要研究第一代恒星的性质，天文学家需要结合理论模型和观测数据。理论学家通过数值模拟计算得到的第一代恒星的超新星爆发模型，模型给出了不同性质的第一代恒星通过超新星爆发产生了哪些种类的元素，以及这些元素的相对含量。然后，天文学家将观测得到的贫金属星的元素丰度与一系列超新星爆发模型进行比对，从中寻找与观测结果最为匹配的理论模型，从而得到第一代恒星的性质。例如，天文学家基于超新星爆发模型和观测得到的恒星丰度，揭示了一颗铁含量低于太阳10万分之一的贫金属星外层大气中的金属元素来自于一个质量约为25倍太阳质量的第一代恒星。

25倍太阳质量的第一代恒星的超新星爆发模型（黑色空心方块）与贫金属星元素丰度（红色圆点）的对比。

/缺失的第一代超大质量恒星

尽管通过贫金属星的研究，天文学家已经得到了数百颗第一代恒星的质量信息，并研究了第一代恒星的质量分布，结果却令人意外：所有已知的第一代恒星质量均低于100倍太阳质量，这一发现对理论预期提出了极大的挑战。

天文学家此前由贫金属星研究得到的第一代恒星的质量分布。

根据理论模型，第一代恒星的质量可以达到数百甚至上千倍太阳质量，特别是质量在140到260倍太阳质量之间的恒星，在演化过程中会形成一种独特的超新星——对不稳定超新星（PISN），这种超新星的爆发机制与普通超新星不同，它的形成伴随着正负电子对的产生，正负电子对减弱了恒星核心处产生的向外的辐射压力，随后引发了剧烈的坍缩和热核爆炸。

与100倍太阳质量以下的第一代恒星演化形成的核坍缩型超新星相比，理论预言PISN的产物具有极为特殊的化学元素组成，其最主要的特征是原子序数为奇数的元素（如钠、钴）含量远小于相邻的原子序数为偶数的元素（如镁、镍）含量，这也被称为“奇偶效应”。因此，保留了PISN产物的第二代恒星也会呈现出类似的罕见化学丰度模式。然而受限于贫金属星样本的规模，天文学家始终未能在贫金属星中发现PISN的化学印记，也没有发现100倍太阳质量以上第一代恒星存在过的直接证据。为填补这一空白，天文学家亟需通过扩大贫金属星的样本规模，以便更全面地探索第一代恒星的性质。

理论计算给出的不同质量第一代恒星的结局。

/LAMOST助力发现

第一代超大质量恒星的化学印记

中国科学院国家天文台赵刚研究员团队充分发挥我国大型光谱巡天望远镜——LAMOST观测数据的数量优势，启动了国际上最大规模的贫金属星搜寻项目，成功发现了数万颗贫金属星，极大地拓展了这一类恒星的样本规模。这项研究首次提供了第一代超大质量恒星演化形成对不稳定超新星的化学证据。

LAMOST上的双子座流星雨。摄影 / 白一帆

研究团队系统分析了400余颗贫金属星样本的元素丰度，其中由邢千帆研究员在一批镁含量异常偏低的贫金属星中，发现了一颗化学元素含量极为特殊的银河系晕族恒星——LAMOST J1010+2358。这颗恒星的镁含量仅为太阳的一半，而绝大多数银晕恒星的镁含量在太阳的两倍左右；此外，它的钠含量也是目前已知恒星中最低的。更引人注目的是，它的丰度模式展现出已知最强的“奇偶效应”。研究人员随即对这颗恒星的化学成分展开了深入分析，结果表明：100倍太阳质量以下的恒星对应的超新星模型（核坍缩超新星）均无法解释这颗恒星的化学丰度特征，而一个260倍太阳质量的PISN理论模型却与观测结果高度吻合，PISN模型不仅可以形成极低的钠和镁含量，还能很好地解释这颗恒星所展示出的“奇偶效应”。这一发现意味着，天文学家首次证实了第一代恒星质量可以达到100倍太阳质量以上，并且能够演化成PISN，为理解宇宙早期恒星的演化历史提供了关键线索。

恒星LAMOST J1010+2358的元素丰度与超新星模型数据的对比。

/第一代恒星的初始质量函数

这项发现不仅改变了我们对第一代恒星质量范围的认知，也为恒星的初始质量函数的研究提供了新的观测约束。恒星初始质量函数描述的是一群恒星在刚诞生时的质量分布情况，越来越多的观测证据表明，恒星的初始质量函数会随着金属含量的改变而发生变化。第一代恒星诞生于几乎不含金属含量的宇宙极早期，因此它的初始质量函数可以说是整个恒星初始质量函数的“起始点”。未来，天文学家期待能通过LAMOST等先进望远镜，发现更多第一代超大质量恒星的“后代”，进一步填补100倍太阳质量以上的大质量端第一代恒星质量分布研究的空白。

作者简介 /

邢千帆，中国科学院国家天文台研究员，主要研究领域是恒星丰度与银河系考古，利用LAMOST发现了第一代超大质量恒星的化学印记，揭示了银晕快中子俘获元素超丰恒星的矮星系起源。

本文转载自《中国国家天文》微信公众号

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