首次观测：“氮超标”关键证据锁定宇宙初代恒星踪迹

IT之家 11 月 25 日消息，科技媒体 newscientist 昨日（11 月 24 日）发布博文，报道称天文学家借助詹姆斯・韦布空间望远镜（JWST），发现早期宇宙星系 GS 3073 中异常高的氮氧比，为寻找宇宙第一代恒星（即“第三星族星”）提供了迄今最确凿的化学证据。

艺术家描绘的大爆炸后 1 亿年第三星族恒星群的景象，图源：NOIRLab

来自哈佛-史密森天体物理中心的德韦什・南达尔（Devesh Nandal）介绍，当前所有星系演化模型都建立在一个基本假设之上：恒星质量无法超过太阳的 120 倍左右。

虽然理论上曾探讨过更大质量恒星的可能性，但此前从未有过任何实际观测证据。然而，南达尔及其团队利用 JWS 观测 GS 3073 的遥远星系后，在其化学信号中发现了异常高含量的氮元素，这为超大质量恒星的存在提供了有力支持。

詹姆斯・韦伯太空望远镜（JWST）在经典的哈勃深空场中观测到数千个遥远星系 —— 其中许多星系是首次借助这台太空望远镜的强大仪器被发现。图源：欧空局

研究团队指出，虽然在其他一些遥远星系中也曾观测到高氮含量，但 GS 3073 的氮含量之高，已无法用已知的恒星类型或宇宙事件来解释。

IT之家注：宇宙第一代恒星，天文学上称为“第三星族星”（Population III stars），诞生于由氢、氦等原始气体构成的巨大星云中。这些恒星的质量极为庞大，可达太阳的数百甚至数千倍。

它们虽然燃烧得极为明亮，但生命却异常短暂，最终以剧烈的超新星爆发终结，并将内部合成的重元素（天文学中的“金属”）抛洒到周围空间。

尽管这些恒星早已消亡，但它们留下的独特化学印记却能长久保存在其宿主星系中。理解第三星族星如何创造和散播元素，成为破解 JWST 新发现化学谜团的核心。

为了解开 GS 3073 星系的氮过量之谜，由弗吉尼亚大学的德韦什・南达尔（Devesh Nandal）领导的团队利用先进的恒星演化模型进行了模拟。

研究团队追踪了质量为太阳 1000 至 10000 倍的超大质量第三星族星从诞生到消亡的全过程，分析其在不同核燃烧阶段的元素产出。

艺术家描绘的早期宇宙恒星形成图。超大质量恒星由原始气体形成，聚合而成，最终形成了宇宙中的第一批星系。图源：阿道夫・沙勒为太空望远镜科学研究所

模型结果清晰地表明，只有在此质量范围内的第三星族星，才能在其短暂的生命周期内快速产生并释放出超量的氮，同时保持其他元素的丰度相对稳定。质量低于此范围的恒星无法产生足够高的氮氧比，而质量更高的恒星其氧氢比又过低，这为解释 GS 3073 的化学成分划定了精确的恒星质量区间。

这项研究首次在红移 z = 5.55 的水平上，通过化学丰度确凿地证实了第三星族星对其宿主星系的影响。GS 3073 中独特的氮元素富集特征，成为了证明超大质量第三星族星曾经存在的“化学指纹”。

图中展示了五颗模拟的超大质量第三星族恒星的 N/O、C/O 和 Ne/O 丰度比，其中考虑了星系中其他恒星的贡献，以及第三星族恒星在其生命周期内损失 10% 质量的情况。绿色星号表示 GS 3073 的观测丰度比。

研究团队指出，宇宙中可能还存在氮过量程度更高的星系，未来的 JWST 观测有望发现它们。近期，另一项针对 LAP1-B 星系的研究也从形成环境和质量分布的角度为第三星族星的存在提供了理论支持。这两项独立研究共同为利用 JWST 探索宇宙黎明、寻找第一代恒星奠定了坚实的基础，宣告着这些神秘的宇宙先驱已不再遥不可及。

然而，这一结论并非没有争议。剑桥大学的罗伯托・马约利诺（Roberto Maiolino）提出，第三星族恒星理论上应形成于几乎没有重元素的“原始环境”中，而 GS 3073 在化学上已是一个相当“成熟”的星系，两者环境似乎不符。

不过，爱尔兰梅努斯大学的约翰・里根（John Regan）反驳称，早期宇宙的观测本就充满了各种奇特现象，因此不能因为超大质量恒星“太奇怪”就否定其存在的可能性。

参考