宇宙中第一批恒星存在被證實！中科院最新成果，數據來自韋布望遠鏡
當初立的Flag真的實現了
羿閣 發自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI
還記得韋布望遠鏡（JWST）發布時立下的flag嗎？
觀測宇宙大爆炸后出現的第一批天體、觀測星系隨時間如何生長、尋找太陽系外宜居行星……
現在有一點它真的做到了！背后的團隊竟然還來自中國科學院。
具體來說，研究者們對韋布望遠鏡傳回的2000多個光譜數據進行分析，在一個遙遠星系中發現了關鍵的氦II特征。
這也恰恰證實了由氫、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。
就連團隊帶頭人王鑫都對Quanta Magazine感慨：“這太不真實了”。
目前，相關論文預印本已在Arxiv發表，正在等待Nature的同行評議。
第一批恒星何時出現？
約138億年前宇宙大爆炸發生后，最初，物質只能以電子光子和中微子等基本粒子的形態存在。
40萬年過去，當熾熱的輻射逐漸冷卻下來，中性原子不再被電離，引力開始發揮它的主導作用。
此時宇宙中的主要成分為氣態物質，其中氫元素占據了宇宙物質總量的92%，其余為氦元素以及不到1%的鋰元素，金屬元素非常少。
在這樣的環境下，當氫和氦被重力擠壓，凝結成巨大的氣體球，一旦氣體球密度足夠大，就會點燃中心處的核聚變反應，第一批恒星就這樣誕生了。
這些恒星還有另一個名字，叫第三星族（Population III）星。
與之對應的是，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，其質量可能是太陽的幾百到十萬倍。
它們會散發藍色的光芒，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很短，最多只能持續幾百萬年。并且，它們在宇宙中的存在時間也只有幾億年，最后原始氣體都會隨之消散。
正因如此，找到它們存在的證據一直是個很大的挑戰，而韋布望遠鏡的出現給了天文學家新的方向。
新契機出現
隨著2021年12月詹姆斯韋布空間望遠鏡發射，許多科學家都開始用它進行觀測。
韋布望遠鏡比之前的哈勃望遠鏡更加優化，搭配有紅外線觀測設備，可以使用紅外波段觀察宇宙。
對于最初形成的恒星和行星，他們往往會隱藏在吸收可見光的塵埃云后面。但這些區域發出紅外光卻能穿透這層籠罩，揭示其內部信息。
因此紅外光波對觀察宇宙深處非常重要。
即使恒星已經死亡，光學信號可能會逐漸減弱，但恒星逐漸加劇的核聚變反應，反而會散發出更加強烈的紅外線信號。
早在1999年，科羅拉多大學博爾德分校天文學家Boulder就做出推測，當每個原子的剩余電子在能級之間跳躍時，恒星應該會產生一個泄露信號：
氦II發出的特定頻率的光，或者缺少一個電子的氦原子。
曼徹斯特大學的天文學家James Trussler對此解釋說:
氦的發射實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產生的。
遵循著這一思路，來自中科院的王鑫團隊對韋布望遠鏡傳回的超過2000多個光譜數據進行分析，發現了一個在宇宙大爆炸后6.2億年出現的遙遠星系。
這個星系由兩部分組成，其中一半具有氦II與其他元素混合的關鍵特征，這也代表著一個由數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，其中蘊含的第三星族星數量可能更多。
目前該論文還處于等待同行評議狀態，對于這一結果，許多科學家都表現出了謹慎的態度。
一位在加利福尼亞大學研究計算機模擬行星的物理學家Mike Norman提出質疑：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？
樸次茅斯大學的天體物理學家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“第一個直接證據”，但并不絕對，例如黑洞也能產生類似的氦II信號。
對此，王鑫的回應是，可以排除黑洞的可能性，因為他們沒有檢測到特定的氧氣、氮氣或電離碳特征。
正如這位網友所說，不管最終是否成立，這無疑都是一個非常重要的觀察結果。
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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