宇宙中第一批恒星存在被證實(shí)！中科院最新成果，數(shù)據(jù)來自韋布望遠(yuǎn)鏡

魚羊 2023-02-04 13:42:23 來源：量子位

羿閣 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

還記得韋布望遠(yuǎn)鏡（JWST）發(fā)布時(shí)立下的flag嗎？

觀測宇宙大爆炸后出現(xiàn)的第一批天體、觀測星系隨時(shí)間如何生長、尋找太陽系外宜居行星……

現(xiàn)在有一點(diǎn)它真的做到了！背后的團(tuán)隊(duì)竟然還來自中國科學(xué)院。

具體來說，研究者們對韋布望遠(yuǎn)鏡傳回的2000多個(gè)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在一個(gè)遙遠(yuǎn)星系中發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵的氦II特征。

這也恰恰證實(shí)了由氫、氦作為主要元素組成的第一批恒星的存在。

要知道，從這一概念被提出以來，還從未有人直接觀測到它的身影。

就連團(tuán)隊(duì)帶頭人王鑫都對Quanta Magazine感慨：“這太不真實(shí)了”。

目前，相關(guān)論文預(yù)印本已在Arxiv發(fā)表，正在等待Nature的同行評(píng)議。

第一批恒星何時(shí)出現(xiàn)？

約138億年前宇宙大爆炸發(fā)生后，最初，物質(zhì)只能以電子光子和中微子等基本粒子的形態(tài)存在。

40萬年過去，當(dāng)熾熱的輻射逐漸冷卻下來，中性原子不再被電離，引力開始發(fā)揮它的主導(dǎo)作用。

此時(shí)宇宙中的主要成分為氣態(tài)物質(zhì)，其中氫元素占據(jù)了宇宙物質(zhì)總量的92%，其余為氦元素以及不到1%的鋰元素，金屬元素非常少。

在這樣的環(huán)境下，當(dāng)氫和氦被重力擠壓，凝結(jié)成巨大的氣體球，一旦氣體球密度足夠大，就會(huì)點(diǎn)燃中心處的核聚變反應(yīng)，第一批恒星就這樣誕生了。

這些恒星還有另一個(gè)名字，叫第三星族（Population III）星。

與之對應(yīng)的是，其他我們可以觀察到的所有恒星則被分為第二星族和第一星族，二者的區(qū)別是年齡不同：

第一星族更年輕，含有更多的重元素，而第二星族更古老，重元素含量少。

1984年，英國天體物理學(xué)家伯納德 · 卡爾(Bernard Carr)在其論文中推測，第三星族星的尺寸可能非常巨大，其質(zhì)量可能是太陽的幾百到十萬倍。

它們會(huì)散發(fā)藍(lán)色的光芒，表面溫度約為5萬°C（太陽的表面溫度僅為5500°C）。

這一巨大的比例也意味著第一批恒星的壽命會(huì)很短，最多只能持續(xù)幾百萬年。并且，它們在宇宙中的存在時(shí)間也只有幾億年，最后原始?xì)怏w都會(huì)隨之消散。

正因如此，找到它們存在的證據(jù)一直是個(gè)很大的挑戰(zhàn)，而韋布望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)給了天文學(xué)家新的方向。

新契機(jī)出現(xiàn)

隨著2021年12月詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射，許多科學(xué)家都開始用它進(jìn)行觀測。

韋布望遠(yuǎn)鏡比之前的哈勃望遠(yuǎn)鏡更加優(yōu)化，搭配有紅外線觀測設(shè)備，可以使用紅外波段觀察宇宙。

對于最初形成的恒星和行星，他們往往會(huì)隱藏在吸收可見光的塵埃云后面。但這些區(qū)域發(fā)出紅外光卻能穿透這層籠罩，揭示其內(nèi)部信息。

因此紅外光波對觀察宇宙深處非常重要。

即使恒星已經(jīng)死亡，光學(xué)信號(hào)可能會(huì)逐漸減弱，但恒星逐漸加劇的核聚變反應(yīng)，反而會(huì)散發(fā)出更加強(qiáng)烈的紅外線信號(hào)。

早在1999年，科羅拉多大學(xué)博爾德分校天文學(xué)家Boulder就做出推測，當(dāng)每個(gè)原子的剩余電子在能級(jí)之間跳躍時(shí)，恒星應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生一個(gè)泄露信號(hào)：

氦II發(fā)出的特定頻率的光，或者缺少一個(gè)電子的氦原子。

曼徹斯特大學(xué)的天文學(xué)家James Trussler對此解釋說:

氦的發(fā)射實(shí)際上并非來自恒星本身，而是由恒星熱表面的高能光子撞擊恒星周圍的氣體時(shí)產(chǎn)生的。

遵循著這一思路，來自中科院的王鑫團(tuán)隊(duì)對韋布望遠(yuǎn)鏡傳回的超過2000多個(gè)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)在宇宙大爆炸后6.2億年出現(xiàn)的遙遠(yuǎn)星系。

這個(gè)星系由兩部分組成，其中一半具有氦II與其他元素混合的關(guān)鍵特征，這也代表著一個(gè)由數(shù)千顆第三星族星和其他恒星組成的混合種群。

盡管該星系后半部分的光譜分析尚未完成，但從它的亮度來看，其中蘊(yùn)含的第三星族星數(shù)量可能更多。

目前該論文還處于等待同行評(píng)議狀態(tài)，對于這一結(jié)果，許多科學(xué)家都表現(xiàn)出了謹(jǐn)慎的態(tài)度。

一位在加利福尼亞大學(xué)研究計(jì)算機(jī)模擬行星的物理學(xué)家Mike Norman提出質(zhì)疑：第三星群的恒星和后來的恒星真的可以如此容易地混合在一起嗎？

樸次茅斯大學(xué)的天體物理學(xué)家Daniel Whalen也站在中立的角度表示：

這很可能是宇宙中第一批恒星的“第一個(gè)直接證據(jù)”，但并不絕對，例如黑洞也能產(chǎn)生類似的氦II信號(hào)。

對此，王鑫的回應(yīng)是，可以排除黑洞的可能性，因?yàn)樗麄儧]有檢測到特定的氧氣、氮?dú)饣螂婋x碳特征。

正如這位網(wǎng)友所說，不管最終是否成立，這無疑都是一個(gè)非常重要的觀察結(jié)果。

論文鏈接放在文末，感興趣的小伙伴可以自取～

論文鏈接：
https://arxiv.org/abs/2212.04476

參考鏈接：
[1]https://www.quantamagazine.org/astronomers-say-they-have-spotted-the-universes-first-stars-20230130/
[2]https://news.ycombinator.com/item?id=34580947
[3]https://twitter.com/Astro_Jonny/status/1620084214334107654

— 完 —

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