130亿年前的小星系，藏着第一代恒星留下的痕迹？

大约138亿年前，在宇宙刚刚诞生之后，宇宙的化学成分非常简单，只包含了大量的氢、氦，以及微量的锂。像氧、碳等生命所必需的较重元素，在当时尚不存在；它们是在更晚的时候，于第一代恒星的核心中被“锻造”出来的。

几十年来，天文学家一直试图寻找第一代恒星开始把孕育生命所需的元素播撒到宇宙之中的那一刻。然而，承载这些年轻原初恒星的最早期星系一直都太小、太暗，以至于要看清它们的化学组成，曾被认为几乎不可能。

在一项新发表于《自然》杂志的研究中，一个天文学家团队利用韦布空间望远镜（JWST），对早期宇宙中一个微小、超暗弱的星系LAP1-B进行了观测。结果表明，LAP1-B的氧丰度只有太阳的大约二百四十分之一，使其成为迄今发现的化学成分最原始的恒星形成星系。

被引力透镜放大的微光

由于光速有限，JWST观测到的是LAP1-B在约130亿年前发出的光；那时，第一代恒星和星系被认为刚形成几亿年。之所以能够观测到LAP1-B，是因为它发出的光被一种称为“引力透镜效应”的现象放大了100倍：LAP1-B位于星系团MACS J0416的后方，这个星系团质量极大，其引力场会像透镜一样弯曲周围的光线，从而把更遥远的背景星系放大成像。

然而，即使有这样的放大效应，JWST和哈勃空间望远镜仍未能探测到LAP1-B中恒星本身发出的光。于是，天文学家只能估算LAP1-B中恒星的总质量，并给出了一个上限——不到3300个太阳质量。相比之下，银河系中恒星的总质量约为1000亿个太阳质量，而JWST通常研究的星系，恒星质量也超过1000万个太阳质量。

实际上，LAP1-B的探测依靠的是另一种光源。大质量恒星会发出高能辐射，这些辐射可以激发周围的气体云，也就是星云。被激发后的气体不会发出连续的光，而是在某些特定波长上发光，这些特定波长的光就叫发射线。这些发射线可以用来识别气体云中高度电离的原子种类。这些谱线可以通过JWST等望远镜上的光谱仪器探测到；因此，发射线可以作为“星系正在形成恒星”的线索。

几乎没有重元素的星系

在LAP1-B中，研究人员观测到了氢、氦、碳和氧的发射线。通过分析这些发射线的相对强度，他们推断了星云的化学组成，以及为星云提供能量的恒星具有怎样的性质。

测量结果显示，LAP1-B的化学组成极不寻常：

• 首先，如果用氧氢比来衡量，LAP1-B中的重元素（比锂更重的元素）总含量只有太阳中的0.4%。这是迄今在仍在活跃形成恒星的星系中发现的最低比例。

• 其次，LAP1-B 的星云中似乎含有异常丰富的碳。

基于这些异常，研究人员推测，这些碳来自第一代恒星，也就是一个至今尚未被直接观测到的恒星群体——星族Ⅲ。

星族III恒星

星族III恒星是理论上最早形成的一代恒星，它们完全由大爆炸留下的氢、氦和微量的锂构成。星族III恒星虽然一开始不含重元素，但它们内部会发生核聚变。核聚变会把轻元素合成为更重的元素，比如碳、氧等。当这些恒星在生命末期爆发为超新星时，内部合成出的重元素可能会被抛射到周围的气体云，也就是星云中。

此外，星族III恒星也被认为质量巨大且结构致密。它们内部有着更强的引力，可能会导致能量较低但富含碳的超新星爆发。综合来看，这些观测表明，LAP1-B似乎是一个正处在宇宙化学演化门槛上的星系。

有意思的是，研究人员还探测到了三重电离碳的发射线。所谓三重电离碳，是指一个碳原子已经失去了自身6个电子中的一半。要从碳原子中剥离多个电子，需要极紫外光子，其能量必须超过47.9电子伏特。这一能量远高于普通大质量恒星通常发出的光子能量，暗示着LAP1-B中的一些恒星不仅化学成分非常原始，而且质量可能超过100个太阳质量。

这是LAP1-B中存在星族III恒星的可能证据，但也可能是存在异常巨大的星族II恒星。

通向最早星系的一扇窗口

不过，这项研究的结论仍然存在一些不确定性。研究人员认为，未来还需要更多研究来确认对这些谱线强度比的解释。此外，还需要进一步工作来判断，他们看到的LAP1-B距离第一代恒星活跃的时代到底有多近：这个系统中的重元素含量比已知最原始的恒星高出10倍，而且较高的碳氧比并非只有第一代恒星才能产生。

尽管存在这些不确定性，LAP1-B 仍然为我们理解第一代恒星和星系提供了迄今JWST揭示出的最佳线索之一。现在，许多寻找类似星系的工作也正在进行，它们也同样利用星系团来放大遥远宇宙中的天体。

#参考来源：

https://www.nature.com/articles/d41586-026-01151-1

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10374-1

#图片来源：

封面图&首图：NASA, ESA, CSA & K.Nakajima et al., Nature