宇宙最古老星团的诞生：巨型恒星的惊人贡献

由ICREA研究员马克·吉尔斯（Mark Gieles）领导的国际团队，来自巴塞罗那大学宇宙科学研究所（ICCUB）和加泰罗尼亚空间研究所（IEEC），开发了一种模型，揭示了极其巨大的恒星（EMS）——质量超过太阳1000倍——如何影响了宇宙中最古老星团的诞生和早期演化。

这项研究发表在《皇家天文学会月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上，揭示了这些短命的恒星巨人如何深刻影响了球状星团（GCs）的化学成分，而球状星团是宇宙中一些最古老和最神秘的星系系统。

球状星团：宇宙的古老档案

球状星团是密集的、球形的星团，包含数十万或数百万颗恒星，几乎所有星系中都有它们的身影，包括银河系。大多数星团的年龄超过100亿年，这说明它们是在大爆炸后不久形成的。

它们的恒星显示出令人困惑的化学特征，例如氦、氮、氧、钠、镁和铝等元素的不寻常丰度，这些特征几十年来一直没有得到解释。这些“多重群体”指向在极热的“污染物”中形成星团时的复杂富集过程。

星团形成的新模型

这项新研究基于一种称为惯性流入模型（inertial-inflow model）的星形成模型，并将其扩展到早期宇宙的极端环境中。研究人员表明，在最大质量的星团中，湍流气体自然产生极其大质量的恒星（EMS），其质量在1,000到10,000个太阳质量之间。这些EMS释放出富含高温氢燃烧产物的强烈恒星风，然后与周围的原始气体混合，形成化学成分不同的恒星。

“我们的模型表明，仅仅几个极其大质量的恒星就能在整个星团上留下持久的化学印记，”马克·吉尔斯（ICREA-ICCUB-IEEC）说。“它最终将球状星团形成的物理过程与我们今天观察到的化学特征联系起来。”

来自日内瓦大学的研究人员劳拉·拉米雷斯·加莱诺和科琳·查尔博内尔指出：“早就知道，在极其大质量恒星中心的核反应可以创造出适当的丰度分布。我们现在有一个模型，提供了一种自然的方式来形成这些大质量星团中的恒星。”

这一过程发生得很快——在100万到200万年内——在任何超新星爆炸之前，确保星团中的气体不受超新星的污染。

探索早期宇宙和黑洞的新视角

这一发现的影响不仅限于银河系。作者提出，由詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）发现的富氮星系可能主要由在星系形成早期阶段形成的富含EMS球状星团主导着。

“极为巨大的恒星可能在第一批星系的形成中发挥了关键作用，”达特茅斯学院和ICCUB-IEEC的保罗·帕多安说。“它们的光度和化学元素的产生自然解释了我们现在通过JWST观察到的早期宇宙中的富氮原始星系。”

这些巨大的恒星可能会以中等质量黑洞（超过100个太阳质量）结束它们的生命，这可能会被引力波信号探测到。

这项研究提供了一个统一的框架，连接了恒星形成的物理学、星团的演化和化学的富集。它表明，极大质量恒星是早期星系形成的关键驱动力，同时丰富了球状星团，并且产生了第一批黑洞。

更多详情： Mark Gieles 等人，来自惯性流入的球状星团形成：吸积极其大质量的恒星作为丰度异常的起源，《皇家天文学会月刊》（2025）。 数字对象识别码（DOI）: 10.1093/mnras/staf1314