引力透镜搜寻第一代恒星

来源：光明日报

宇宙的起源与早期演化，始终是天文学最宏大、最迷人的研究课题。在宇宙诞生后的亿万年间，第一批恒星悄然诞生，点亮了原本漆黑空旷的宇宙深空。这些远古的第三星族恒星（天文学家将形成时间较晚的恒星归为第一星族，较早的恒星归为第二星族，尚未观测到的宇宙第一代恒星则被归为第三星族），是宇宙万物演化的起点，构筑起星系、重元素乃至生命诞生的基础。但由于距离极远、年代太过久远，人类始终难以直接观测到它们的踪迹。如今，依托韦布空间望远镜的超强观测能力，结合宇宙天然的引力透镜效应，天文学家终于拥有了探寻初代恒星、解锁早期宇宙与暗物质谜题的全新手段。

解锁早期宇宙

天文学家正热切期盼着，尽快看见宇宙中最早诞生的那批恒星。2021年圣诞节，我与众多天文学家一同见证了韦布空间望远镜从法属圭亚那发射升空。这趟旅程为期一个月，目的地距离地球150万千米，其间充满无数令人屏息的瞬间，尤其是它持续一周左右的展开过程：望远镜在发射前被折得跟公交车一般大，却在太空中如同折纸一样，缓慢展开出了如同网球场一样大的遮阳板阵列。

所幸，韦布空间望远镜最终安全抵达预定轨道，并在2022年夏季正式投入使用。自此，这台望远镜开始解答天文学领域中那些最重要的问题。与此同时，它也带来了很多新的问题。

其中最令人震惊的发现之一在于：当宇宙年龄仅为当前3%时（处于极早期阶段），竟已存在质量超过太阳百万倍的超大质量黑洞。这些庞然巨物为何能形成得这么早，至今仍是未解之谜。一种猜想是，宇宙中第一代恒星在爆发性死亡后留下了相对轻一些的黑洞，这些黑洞随后在引力作用下相互并合，最终形成百万倍太阳质量的超级黑洞。

然而，数千个小型黑洞如何在数亿年内完成合并？这在宇宙学尺度上可是极短的时间。要解开这个谜题，关键在于理解宇宙第一代恒星。而迄今为止，还没有人直接观测到这样的恒星。

第三星族恒星

第三星族恒星因为属性原始、体型巨大，常被称为恒星中的“恐龙”。它们只存在于宇宙的幼年时期，而那时宇宙的化学环境十分简单。这些恒星几乎完全由氢、氦和微量的其他轻元素（如锂）构成——在那个时期，这是宇宙中仅有的几种元素。

这些恒星在原始而致密的宇宙环境中诞生，质量远超今天的恒星。它们就好比20世纪的摇滚巨星，生命短暂却光芒万丈，在宇宙中刻下了不朽的印记。在它们仅数百万年的短暂生命里，第三星族恒星通过核心的聚变反应，制造出大量碳、氧、氮、硅、硫、铁等元素。当它们以超新星爆发的形式终结时，这些元素喷涌而出，为后续行星及生命的形成播撒关键的物质种子。而在这场壮烈的爆发之后，遗留下来的往往是一个黑洞。

尽管科学家尚未直接观测到单个第三星族恒星，但这一现状可能即将改变。借助韦布空间望远镜以及自然产生的引力透镜效应，我们有可能窥见第三星族恒星短暂生命中的某个瞬间，或者捕捉到它们异常明亮的终极爆发。我们甚至可能观测到环绕在黑洞残骸周围的发光气体——在观测者的眼中，它们看起来就像是微型的类星体。

人类竟然有机会窥见这些来自时间源头的遗迹，这简直让人惊叹。这些远古恒星不仅能帮我们理解早期宇宙，还可能为我们揭开宇宙最大的谜团之一：暗物质。宇宙似乎充满了我们不理解的隐形物质，而第一代恒星的光在抵达我们望远镜的途中，必然穿过了暗物质，这些光线或许能帮我们揭示暗物质的本质。

我对这些早期恒星的探索始于十多年前。在那之前，我已在英国、美国、西班牙多所研究机构辗转探索过各类天文课题。那时我暂时迁居美国，以便利用当时最顶尖的望远镜——美国航空航天局的哈勃空间望远镜研究我最钟爱的领域：引力透镜。

即便是哈勃和韦布这样的尖端望远镜，也难以仅凭自身直接观测第三星族恒星。幸运的是，宇宙似乎格外眷顾天文学家，在星辰之间悄然布置了成千上万个“天然望远镜”，能够放大星空背景深处遥远的星系。与构成放大镜的玻璃能够弯曲光线类似，宇宙中的大质量天体也能弯曲时空本身。当星光穿过这片被弯曲的时空时，光线的路径也随之偏折。爱因斯坦预言了这种时空弯曲与光线偏折现象，也就是我们所说的引力透镜效应。

宇宙中质量最大的天体当属星系团，它也是最强的天然透镜。星系团由成百上千个星系构成，这些星系聚集在狭小的空间里，其中还弥漫着大量暗物质。星系团的总质量可达银河系的千倍以上，它在引力作用下维系着整体结构。当我们将望远镜对准某个星系团时，其引力会同时放大并扭曲背景星系的影像，从而形成引力透镜效应。如果背景天体恰好位于透镜中心的正后方，它的光线便会被拉伸、弯折成一个几乎完美的圆环，即所谓的“爱因斯坦环”。

当我们将韦布空间望远镜对准一个引力透镜时，相当于在望远镜前端加装了一个巨型透镜，从而将天文台高效地转化为“宇宙显微镜”。引力透镜只能放大其后方极为有限的区域，这也跟真正的显微镜类似。这种放大并不均匀：在星系团后方的大部分区域，放大倍率通常不超过10倍；然而，在一些被称作“焦散线”的极小区域内，透镜效应会急剧增强，其放大倍数甚至可跃升至约1万倍。

如果某个小型天体恰好落入某条焦散线，并且它足够明亮，我们便能获得常规条件下不可能得到的超高倍放大图像。当韦布空间望远镜对准这些区域时，其观测能力相当于口径百倍的天文望远镜，让我们以前所未有的清晰度窥探遥远宇宙。实现这项技术的唯一前提是目标必须既微小又明亮，第三星族恒星恰好完美契合这个要求。

闪烁的透镜

天文学家正在步步逼近，即将拿下观测这些隐匿恒星的“前排座位”。近年来，已经有数颗恒星打破了最古老恒星的纪录。2016年，也就是韦布空间望远镜升空的5年前，天文学家利用哈勃空间望远镜发现了“伊卡洛斯”，它成为人类历史上第一颗透过“宇宙显微镜”被观测到的单体恒星。伊卡洛斯和我们之间的距离，是此前已知最遥远的恒星的200多倍。

美国明尼苏达大学的帕特里克·凯利是发现这颗恒星的团队负责人，他借用希腊神话中飞近太阳的伊卡洛斯为之命名，呼应揭示这颗恒星的超高倍放大效应。科学家最初注意到伊卡洛斯，是因为在相隔数月的观测中，它的亮度出现了明显的波动。在浩瀚宇宙中，极少有天体会出现这样的亮度变化。在审慎考量了所有可能性后，研究人员最终断定：蓝超巨星是唯一可能的候选天体。

伊卡洛斯的亮度波动源于另一种透镜效应——由微小质量天体引发的“微引力透镜”。对于大多数天体而言，这种效应可忽略不计。但对于类似伊卡洛斯这种放大倍率在数周内显著变化的背景恒星，该效应能引发显著的明暗交替。当某个作为微透镜的天体，与望远镜、担任主透镜的星系团以及更远的背景恒星恰好短暂形成直线排列时，背景恒星的亮度最高可激增10倍。这种特殊的状态通常会维持数周。在此期间，背景恒星会以某种已知且可预测的模式进行明暗交替变化，使我们得以辨识出单颗恒星的存在。

微引力透镜效应主要由星系团内的某颗恒星产生，但也可能源自小规模的质量密集区，比如暗物质构成的致密结构。在“宇宙显微镜”的成像系统中，微引力透镜就像一组额外的镜片，进一步增强了整个系统的放大能力。

伊卡洛斯作为“迄今观测到的最遥远恒星”的纪录仅保持了短短几年，2022年发现的“埃伦德尔”便取而代之。这颗恒星由当时任职于美国约翰斯·霍普金斯大学的布赖恩·韦尔奇与空间望远镜科学研究所的丹·科共同领导的团队发现，其距离更是达到了伊卡洛斯的5倍之远。当然，伊卡洛斯和埃伦德尔本身早已湮灭在时间长河中，我们看到的不过是它们数十亿年前的模样，因为星光需要漫长时间才能抵达地球。例如埃伦德尔呈现的是宇宙年龄仅为现在的7%时的状态。据估计，埃伦德尔受到的引力透镜放大倍率接近1万倍，这是迄今观测到的最高放大水平。伊卡洛斯是人类迄今为止观测到的最接近第三星族恒星的星体。天文学家推测，在它所处的时代，部分第一代恒星依然存在——这意味着我们或将很快能观测到它们。不过要观测第一代恒星，很可能需要回溯更久远的时间。

近年来，人类在宇宙深处陆续发现了数十颗独立恒星。它们的光芒跨越大半个宇宙抵达地球，承载着沿途的珍贵信息。这些光线能帮助我们窥探暗物质的奥秘。这种物质虽然弥漫于宇宙之中，科学家却不知道它由什么构成。作为宇宙中占比最高的物质形态，暗物质却总能躲过地球上所有精密探测器的捕捉。它可能由比电子还微小千万倍的粒子构成，也可能是质量堪比太阳的黑洞集合体。但无论其本质如何，暗物质几乎完全“无视”普通物质（以及我们昂贵的探测器）的存在。

值得庆幸的是，受透镜效应影响的恒星能帮助我们绘制暗物质的分布图并揭示其特性。如果引力透镜中的暗物质形成了行星质量（甚至更大）的隐形结构，那么这些结构就会对背景恒星的放大倍率产生微小但可测量的扰动。目前，我与西班牙坎塔布里亚物理研究所的团队成员合作，已在名为“哥斯拉”与“魔斯拉”的透镜化恒星中观测到此类异常现象。这项研究发现了两个隐形结构，它们质量跨度极大，介于数万倍到数亿倍太阳质量之间。如果这些结构主要由暗物质构成，那么我们将能排除某些暗物质理论。因为这些理论认为暗物质无法形成如此小尺度的结构。在未来，对这些及其他透镜化恒星的观测，将帮助我们进一步界定暗物质可能的存在形态。

在所有已知的透镜化恒星中，最壮观的或许要数位于龙弧星系中的那些。龙弧星系发现于20世纪下半叶，是人类观测到的第一个引力透镜星系。该星系距地球“仅”65亿光年，但星系内多处区域放大倍数超过百倍，使我们能观测到相当于韦布空间望远镜十倍口径才能捕捉的景象。2023年，韦布空间望远镜观测了龙弧，通过识别微引力透镜引起的星光闪烁，一举发现了超过40颗单体恒星。针对该星系恒星的研究表明，暗物质可能由极其微小的粒子构成，其质量甚至比量子色动力学预言的候选粒子轴子还要轻。这些研究还暗示，暗物质可能具有一种被科学家称为“模糊”的奇异量子属性，赋予了其诡异的波动特征。

开启宇宙探索新黄金时代

利用最尖端的望远镜，再借由自然界的引力透镜去观测古老恒星，我们正见证天文学迈入一个崭新的黄金时代。

韦布空间望远镜不断揭开遥远恒星的面纱，而更多新建的天文观测设备也已蓄势待发。美国航空航天局计划于2026年底发射的南希·格雷丝·罗曼空间望远镜，将覆盖约12%的天区，有望发现数千个遥远的新透镜星系。到时候，在精挑细选出最可能是第三星族恒星的候选天体后，天文学家将利用韦布空间望远镜做进一步观测，期待能在高倍放大区域附近捕捉到原始恒星的踪迹。

其他空间望远镜，像欧洲空间局的欧几里得空间望远镜，正在监测更广阔的天区（约30%天区），并且已经发现了数量惊人的全新引力透镜。未来，当我们用韦布空间望远镜进行后续观测时，某些透镜或许能率先揭示第三星族恒星的存在。

更令人振奋的是，美国航空航天局未来计划制造“宜居世界天文台”（HWO），其部分性能将超越韦布空间望远镜。这台超级望远镜尚在论证阶段，最终设计与参数尚未确定，但已展现出观测最遥远恒星的绝佳前景。例如，许多第三星族恒星理论温度极高，这种高温可能超出了更擅长观测较冷恒星的韦布空间望远镜的探测范围。

等到这台新望远镜发射之际，对那些最佳天然引力透镜和最值得观测研究的透镜化星系，我们的了解必将迎来质的飞跃。又或许，在那之前首批“恐龙恒星”就将得到确认，我们可以借助HWO对其展开更精细的研究。这些观测利器必将助力人类追溯更久远的宇宙历史，甚至逼近宇宙的起点。当然，在揭示宇宙首批恒星的同时，也可以追溯我们自身的起源。

（作者：何塞·马里亚·迭戈·罗德里格斯，系西班牙国家研究委员会天体物理学家）

（图文除视觉中国外均由《环球科学》杂志社供稿）