宇宙第一代恒星去哪了？科学家用超级模拟找到了它们的化学指纹

宇宙的第一代恒星，早就死光了。但它们留下的"化学指纹"，可能还藏在银河系最古老的恒星里——而科学家最近用一套超级模拟，把这两件事连了起来。

对于天文学家和宇宙学家来说，"宇宙黑暗时代"是最后的前沿。它藏着第一代恒星和星系如何形成、如何演化的答案。按照目前最主流的理论，第一代恒星大约在大爆炸后1亿到4亿年之间形成。

但问题是：就算有哈勃和詹姆斯·韦布空间望远镜这样强大的光学设备，科学家依然无法在观测早期宇宙和婴儿星系时，把这些古老恒星分辨出来。它们太远、太暗、太早了。

既然直接看不到，那就换个办法。一个国际研究团队用MEGATRON项目做了"退而求其次"的事——用先进的宇宙学模拟套件，加上复杂的辐射、化学和星系形成模型，造出了迄今为止对早期宇宙最精细的模拟。结果揭示了早期宇宙的观测数据，和银河系中最古老恒星的化学指纹之间的联系。

一支横跨多国的团队，四篇论文

这项研究由来自巴斯大学、卡夫利宇宙物理研究所、巴黎天体物理研究所、隆德天文台、剑桥卡夫利宇宙学研究所、卡文迪许实验室、卡夫利粒子天体物理与宇宙学研究所（KIPAC）、斯特伦克天文台、天体物理实验室，以及洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员共同领导。他们的发现发表在《开放天体物理学杂志》的四篇论文中。

MEGATRON项目始于2023年，计划运行到2030年。团队用这套模拟工具，研究了恒星如何在数十亿年间塑造星际介质（ISM）和星系际介质（GSM）中的气体。他们加入了先进的计算机模型，追踪气体运动、星光传播，以及化学浓度的演化。这样一来，他们就能追踪一个年轻星系如何演化，最终长到与银河系相似的质量。

巴斯大学物理系的马丁·雷博士是MEGATRON合作项目的主要贡献者之一，他这样描述这个项目：

"MEGATRON为解读天文学两个最令人兴奋的新数据集提供了一个共同的物理框架：韦布望远镜对最早期星系的观测，以及恒星化石记录。这两组互补的观测放在一起，让我们能以以前不可能的方式，检验关于第一代恒星的各种竞争模型。"

从大爆炸后的原始气体，一路模拟到今天

模拟的起点，是大爆炸后不久的条件——那时宇宙中充斥着不含重元素的原始气体。然后，模拟纳入了第一代恒星（第三星族星）的诞生、它们发出的强烈辐射，以及它们剧烈的超新星爆发。这些爆发把新形成的重元素播撒到星际介质和星系际介质中。最后，模拟追踪了这些新元素如何成为下一代恒星和星系的一部分。

"詹姆斯·韦布空间望远镜让我们直接瞥见婴儿宇宙，而恒星考古学让我们能在自己的银河系邻域研究那些最早时期的遗物，"雷博士说。"MEGATRON在两者之间提供了一座物理桥梁。"

这里说的"恒星考古学"，指的是研究银河系中最古老恒星里保存的化学成分。这些恒星就像活化石，它们形成时宇宙中的元素组成，被锁在了它们的大气里。而韦布望远镜看到的，是遥远早期星系发出的光。一个看的是"当时"，一个看的是"遗物"——MEGATRON要做的，就是把这两条线接上。

旧模型可能低估了恒星辐射的影响

结果还显示，要准确捕捉星光、气体和新锻造元素之间的相互作用，对于把韦布望远镜对年轻星系的突破性观测，与古老恒星中保存的化学组成联系起来，是必不可少的。理解这个过程，是回答"构成宇宙的元素从何而来"这个根本问题的核心。

结果同时表明，以前那些更简单的星系演化模型，低估了星系际介质中的气体受到恒星辐射和复杂化学过程影响的程度。得益于团队实现的分辨率极高，他们能够解析出简单模型无法分辨的气体结构。团队用MEGATRON取得的成果，将帮助天文学家改进对当前和未来观测的预测。

雷博士说："构成我们世界和生命成为可能的元素——碳、氧、铁以及许多其他元素——都是由恒星锻造的。要理解这些元素从何而来，我们需要理解第一代恒星如何形成，以及如何富集了它们周围的环境。MEGATRON让我们能通过把详细模拟与韦布望远镜的观测、以及古老恒星中保存的化学指纹进行比较，直接检验这些想法。"

下一步：更多算力，更高分辨率

展望未来，雷博士和他在巴斯大学的同事已经在开发下一代模拟。他们的最终目标，是用MEGATRON模拟来加强理论与韦布望远镜对早期宇宙持续观测之间的联系。这个项目最近获得了英国国家超级计算机上4000万处理器小时的算力配额，可以支持更高分辨率的模拟和更完整的物理模型。

换句话说，第一代恒星虽然早已消失，但它们在大爆炸后几亿年里点燃的那场"化学革命"，可能正以另一种形式，留在我们银河系某些最古老恒星的元素比例里。而MEGATRON要做的，就是读懂这份跨越130多亿年的化学指纹。