LAMOST发现第一代超大质量恒星化学遗迹——一颗特殊恒星的“寻亲”之旅_天天关注
2023-06-08 06:24:43 科技日报
◎本报记者 陆成宽
理论研究曾预言宇宙早期第一代恒星的质量可以超过100倍太阳质量。然而，遗憾的是，天文学家此前从未在观测上予以证实。
(资料图)
这次，我国天文学家找到了此类恒星曾经存在的“实锤”！6月7日，《自然》在线发表了中科院国家天文台赵刚研究员团队的一项最新研究成果。依托郭守敬望远镜（LAMOST）获取的海量恒星光谱数据，他们在银河系晕中发现一颗化学特征独特的恒星，其化学元素丰度表明，形成该恒星的物质源自一颗质量约为260倍太阳质量的第一代恒星的超新星爆发。
“这一发现首次证实了第一代恒星的质量可以达到260倍太阳质量，这是迄今观测确认的质量最大的第一代恒星，刷新了人们对第一代恒星质量分布的认知，对研究早期宇宙的化学演化以及恒星考古具有重要的科学意义。”论文通讯作者赵刚说。
贫金属星继承第一代恒星的“化学DNA”
按照现代宇宙学理论，138亿年前大爆炸产生了宇宙，在宇宙刚诞生的一段时间内，到处都是一片黑暗，直到1亿—2亿年后，才出现了古老的第一代恒星，发出照亮宇宙的第一缕曙光。
第一代恒星或者它们的化学遗迹，如同“化石”般记录着宇宙最古老的历史。找到它们，对于了解宇宙大爆炸后早期发生的故事具有重要意义。“然而，第一代恒星的寿命极短，只存在于遥远的宇宙之中，直接观测到第一代恒星的难度极大。”论文第一作者邢千帆博士说。
虽然直接观测难度极大，但是已经“死亡”的第一代恒星留下的遗迹，为天文学家研究第一代恒星打开了一扇窗。
宇宙大爆炸后只产生了氢、氦和极少量的锂元素。因此，第一代恒星诞生于几乎不含有任何金属元素的气体环境中，几百万年后，第一代恒星以剧烈的超新星爆发结束一生，在其喷射出的物质中形成了下一代恒星也即贫金属星。贫金属星继承了其“父辈”恒星的“化学DNA”。
因此，长期以来，银河系考古研究领域的专家一直致力于通过寻找贫金属星来研究第一代恒星的性质和特征。
人们此前一直未发现第一代恒星的质量可以超过100倍太阳质量的观测证据。通常小于100倍太阳质量的第一代恒星都以核坍缩型超新星爆发的形式结束生命；而介于140—260倍太阳质量的第一代恒星，其核心处产生的正负电子对会减弱恒星内部的辐射压力，并导致恒星坍缩形成一种特殊的超新星——对不稳定超新星。
证实初代恒星能达到数百倍太阳质量
与核坍缩型超新星爆发的产物相比，理论预言对不稳定超新星爆发的产物拥有极为特殊的化学元素组成，最主要的特征是原子序数为奇数的元素含量远小于相邻的原子序数为偶数的元素含量，这被称为“奇偶效应”。
“也就是说，由对不稳定超新星爆发的产物演化形成的第二代恒星，也会呈现出罕见的化学丰度模式，这为寻找第一代超大质量恒星的化学遗迹提供了线索。然而，天文学家此前从未找到对不稳定超新星爆发的观测证据。”邢千帆坦言。
依托LAMOST低分辨率光谱和日本昴星团（Subaru）望远镜高分辨率光谱数据，研究人员发现了一颗化学元素含量极为特殊的恒星。
研究发现，这是目前已知恒星中钠元素含量最低的恒星。该恒星的元素丰度还显示出了强烈的“奇偶效应”。此外，该恒星基本不含锶、钡等中子俘获元素，几乎未受到中子俘获过程的影响。
这些化学特征无法通过核坍缩超新星理论模型来解释，却与260倍太阳质量的第一代恒星坍缩形成的对不稳定超新星理论计算结果高度吻合。
“这意味着，我们找到了对不稳定超新星存在的观测证据，也证实了第一代恒星的质量可以达到太阳质量的数百倍。”赵刚解释道，这项成果对研究第一代恒星的初始质量函数意义重大，并将对元素起源、宇宙早期的恒星形成和星系化学演化等方面的研究产生深远影响。
对此，《自然》审稿人评价，该成果第一次为对不稳定超新星与银晕恒星化学丰度之间的联系提供了决定性的关键证据。未来赵刚团队期待利用LAMOST和中国空间站工程巡天望远镜能够发现更多化学丰度特殊的恒星，通过分析第一代恒星遗迹，进一步确定恒星初始质量函数，加深对银河系形成与演化历史的理解。（陆成宽）
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