过量的氮元素为天文学家打开了搜索宇宙首批恒星的窗口

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏

周三 · 风月同天|周四 · 观测指南

周五 · 深空探测|周六 · 茶余星话|周日 · 天象预报

翻译：杨幸允

校对：牧夫校对组

编排：陈宏宇

后台：朱宸宇

https://aasnova.org/2025/11/21/too-much-nitrogen-pops-open-the-search-for-the-universes-first-stars/

艺术家笔下早期宇宙中的恒星形成。由原始气体形成的超大质量恒星聚合在一起，构建了宇宙最早的星系。图片来源：阿道夫·沙勒（Adolf Schaller），空间望远镜研究所（STScI）

天文学家一直在寻找宇宙中第一批恒星的证据；随着越来越遥远的星系进入视野，这些恒星似乎终于触手可及。

金属过量

自2021年发射以来，韦布空间望远镜（JWST）为天文学家提供了窥探遥远的过去的眼睛，帮助他们发现了许多星系；这些星系的光揭示了宇宙早期恒星和星系形成的阶段。在新发现的星系中，少数几个有着独特的化学性质。乍一看，它们中的元素似乎过于丰富，不应存在于如此早期的宇宙中。这些难以解释的丰度异常可能是宇宙中第一批恒星存在的证据。

韦布空间望远镜在经典的哈勃深场中探测到了数千个遥远的星系——其中许多星系是通过这台空间望远镜的强大仪器首次被观测道德。图片来源：欧洲航天局（ESA）/韦布望远镜、美国国家航天局（NASA）与加拿大宇航局（CSA）、G·奥斯特林（G. Östlin）、P·G·佩雷斯·贡萨雷斯（P. G. Perez-Gonzalez）、J·梅林德（J. Melinder）、JADES合作组、MIDIS合作组、M·扎马尼（M. Zamani）（欧洲航天局/韦伯望远镜）

宇宙中的第一批恒星被称为“星族III”（Pop III）恒星。它们诞生于原始气体（氢、氦和少量的锂）构成的巨型气体云中，形成时质量可以达到太阳质量的数百至数千倍。尽管它们亮度很高，寿命却极为短暂，最终以剧烈的超新星爆发终结生命，将新形成的富含金属的物质抛撒到周围环境中。尽管这些恒星早已消亡，它们在宿主星系中留下的化学印记却能持久地存在——而理解星族III恒星如何创造并扩散金属元素，或许能为我们解读韦布空间望远镜近期发现的独特化学特征提供线索。

GS3073中的氮含量太高

研究人员发现一些星系呈现出异常高的氮氧比（N/O），这种现象无法用当今宇宙中的相似恒星来解释。其中部分星系可被多个星族、高速旋转的恒星、大规模爆发或球状星团位于形成初期等原因解释。但是，红移值z=5.55（约大爆炸后10亿年）的GS 3073星系的氮氧比异常得高，无法被上面的机制解释。

五颗超大质量恒星的氮氧（N/O）、碳氧（C/O）和氖氧（Ne/O）丰度比。图片中的数据考虑了星系中其他恒星的影响以及这些恒星在其生命周期中损失10%质量的情况。其中绿色五角星是GS 3073。

为了解释这一奇特的现象，弗吉尼亚大学、哈佛史密松天体物理中心 (University of Virginia; Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian)的德维什·南达尔（Devesh Nandal）及其合作者利用恒星演化模型，研究了星族III恒星是否可能是罪魁祸首。通过研究质量为1000至10000太阳质量的恒星，他们追踪了这些超大质量恒星在核燃烧各个阶段中的元素产出情况。这项研究综合考虑了恒星内部的物质混合、恒星整个生命周期中的质量损失，和最终超新星抛射物在星际介质中的混合过程。

通过这个模拟研究，南达尔等人发现质量在1000至10000个太阳质量之间的星族III恒星能够产生在GS 3073中观测到的元素丰度。质量更小的恒星无法产生足够高的氮氧比，而质量更大的恒星则具有明显偏低的氧氢比——这强烈暗示着可能形成GS 3073化学组成的超大质量恒星有质量上限与下限。

星族III恒星的证据终于出现了？

这项关于GS 3073的研究首次证实了在红移值z=5.5的星族III恒星在其宿主星系中留下的化学印记。这种独特的氮丰度只能在星族III恒星的演化阶段中产生：这些恒星燃烧速度快到能够产生并释放过量的氮元素并让其他元素的丰度保持稳定。根据模拟结果，研究人员推测宇宙中可能存在氮丰度更高的星系，而借助韦布空间望远镜的进一步观测我们或许能发现它们。

对星族III恒星的搜索研究正在蓬勃发展——近期另一项研究（比斯瓦尔等人，2025）考察了LAP1-B星系。GS 3073星系通过化学丰度找出了星族III恒星存在的证据；而关于LAP1-B星系的研究发现它的形成环境和质量分布与星族III恒星理论预测相吻合。这两项新研究为韦伯空间望远镜可能带来的丰富发现奠定了基础，宇宙中的第一批恒星不再遥不可及。

论文原文：

http://doi.org/10.3847/2041-8213/ae1a63

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部

『天文湿刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

红蜘蛛星云

借助其近红外相机（NIRCam），NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜揭示了红蜘蛛星云中前所未见的细节，该星云背景是数千颗恒星构成的丰富景象。

图片来源: ESA/Webb, NASA & CSA, J. H. Kastner (Rochester Institute of Technology)

谢谢阅读