提起恒星，大家最想到的一定是太陽，但是太陽是一顆年輕的恒星，其年齡只有40多億年。是否存在比太陽更為古老的恒星？宇宙中輩分最高、誕生最早的恒星又是什么樣子的呢？
最新研究告訴我們，宇宙第一代的恒星里有“大胖子”。
2023年6月7日，國際學術期刊《自然》在線發表了中國科學院天文臺趙剛研究員帶領的國際團隊的一項重要成果，研究團隊率先在銀暈恒星中發現了第一代超大質量恒星演化后坍縮形成的對不穩定超新星（pair-instability supernova, PISN）存在的化學證據。該成果證實這一超新星源自于一顆第一代超大質量恒星，其質量高達260倍太陽質量，刷新了人們對第一代恒星質量分布的認知。
這個結論，其實是從第一代恒星的“化石”中得出的。讓我們穿越億萬年的時間，一起開啟“恒星考古”之旅。
雖然第一代恒星基本已經不存在了，但是你我身上都有它的印記
天文學家習慣將宇宙中最早誕生的一批恒星稱為第一代恒星，也叫做星族III恒星。宇宙學理論認為，138億年前大爆炸產生了宇宙，在宇宙剛誕生的一段時間內，到處都是一片黑暗，宇宙大爆炸之后約1-2億年，才誕生了最古老的第一代恒星，發出照亮宇宙的第一縷曙光，也開啟了宇宙中化學元素演變的序幕。
宇宙大爆炸后只產生了氫、氦和極少量的鋰元素，人們普遍認為第一代恒星誕生于宇宙最早期幾乎不含有任何金屬元素（在天文學上，除了氫和氦之外的元素都統稱為金屬元素）的氣體云中，這里無法有效地通過輻射來冷卻（氫和氦原子的第一激發能級高于金屬元素的激發能級），因此這些最古老的第一代恒星大氣層中的金屬含量極低，只存在氫、氦和極少量的鋰。
在原始的氣體云中形成了第一代恒星示意圖 （圖片來源：NASA）
理論認為第一代恒星的質量非常大[1][2]，處于幾十到數百倍太陽質量之間，而壽命僅有幾百萬年（因為恒星越“胖”壽命越“短”），因此早在130多億年前，絕大部分第一代恒星就以劇烈的超新星爆發的形式結束了一生。
第一代恒星的超新星爆發（圖片來源：國家天文臺）
在這個過程中，核聚變反應產生新的金屬元素噴射到周圍的環境中，這些金屬有助于氣體云的輻射冷卻，讓氣體云可以孕育出質量更小、壽命更長的第二代恒星。一代又一代的恒星“前仆后繼”，每一代新誕生的恒星的金屬含量都會比它的祖先上一代稍微多一點點，宇宙中化學元素的種類和數量不斷地增加。可以說，構成我們身體的很多種元素最初都是由第一代恒星產生的。
然而，第一代恒星的壽命如此之“短”，因此直接觀測到第一代恒星的難度極大。直到今天，天文學家仍未在觀測上真正看到過第一代恒星，“它們到底有多大”（術語稱為質量分布）也一直成為天文學家研究的熱點。
第二代恒星：我是第一代恒星的“活化石”
正所謂“一鯨落，萬物生”，大質量的第一代恒星雖然已經消失了，但它們以超新星爆發的形式終結時，釋放的金屬元素被第二代恒星繼承并保留了下來。
第一代恒星遺跡孕育第二代恒星（圖片來源：國家天文臺）
其中一些第二代恒星的質量很小，甚至低于太陽的質量，因此壽命也比較長，它們可以存活到現在并被天文學家直接觀測到，是我們現在能夠直接觀測到的最古老的恒星。這些第二代恒星的金屬含量很低，比如它們的鐵含量甚至不足太陽鐵含量的百分之一，天文學家習慣稱它們為貧金屬星。
長期以來，天文學家一直致力于通過尋找金屬含量極低的第二代恒星來研究和追溯第一代恒星的性質，這些攜帶著第一代恒星化學“基因”的貧金屬星如同“活化石”般記錄著宇宙最古老的歷史。因此找到它們對于了解宇宙大爆炸后早期發生的故事具有重要意義。
通過分析這些現存的小質量第二代恒星的化學組成（所含元素的種類和含量），天文學家可以結合超新星理論模型反推出組成它的物質源自何種性質的第一代恒星，這種分析過程，被天文學家們形象地稱之為“恒星考古”。
而且，如果找到了特殊的第二代恒星，還可能有意外收獲！
一顆攜帶特殊證據的 “活化石”，揭示了兩個“幼年”宇宙的秘密
本研究中，研究人員不但確認了迄今為止質量最大的第一代恒星，還首次證實了一種特殊超新星的存在。
首先給大家講講第一代恒星“死亡”的過程：
通常小于100倍太陽質量的第一代恒星都以核坍縮型超新星爆發的形式結束生命；而介于140-260倍太陽質量的第一代恒星，其核心處產生的正負電子對會減弱恒星內部的輻射壓力，并導致恒星坍縮形成對不穩定超新星（PISN）。
與核坍縮型超新星相比，理論預言對不穩定超新星的產物具有極為特殊的化學元素組成[4]，最主要的特征是原子序數為奇數的元素含量遠小于相鄰的原子序數為偶數的元素含量，也稱為“奇偶效應”，比如鈉比鎂和鈷比鎳。因此，由對不穩定超新星產物演化形成的第二代恒星也會呈現出罕見的化學豐度模式，這為尋找第一代超大質量恒星的化學遺跡提供了線索。
但是，以上均是理論研究，并且貧金屬星樣本的規模有限，人們始終沒有找到大于100倍太陽質量[3]的第一代恒星和它“死亡”形成的對不穩定超新星的觀測證據。
在本研究中，研究團隊基于我國大型光譜巡天望遠鏡LAMOST，曾開啟了國際上最大規模的貧金屬星搜尋項目[5]，獲得了包含上萬顆貧金屬星的樣本，相當于拿到了大量研究恒星考古和早期宇宙化學演化的“活化石”。
研究團隊隨后利用日本昴星團望遠鏡精確確定了一大批貧金屬星的化學元素組成，率先發現了一顆化學元素含量極為特殊的恒星，它是目前已知恒星中鈉含量最低的恒星，該恒星的化學豐度還顯示出了強烈的“奇偶效應”。
通過恒星光譜，獲知恒星的化學元素組成（圖片來源：國家天文臺）
這顆恒星的種種化學基因特征表明它無法通過核坍縮超新星理論模型來解釋，卻與260倍太陽質量的PISN理論計算結果高度吻合。因此，天文學家認為這是一顆保留了PISN化學遺跡的貧金屬星，為一直以來未能露面的第一代超大質量恒星及其演化形成的PISN提供了清晰的觀測證據。
可以說，這顆恒星的“父輩”是一個260倍太陽質量的“大胖子”，由于它的“父輩”的壽命非常短，它也可以說是迄今為止觀測到的最古老恒星了。
化學豐度特殊恒星LAMOST J1010+2358與超新星模型的比較。紅色圓點代表LAMOST J1010+2358的元素豐度，黑色實線分別表示前身星質量為10倍太陽質量的核坍縮超新星(a); 85倍太陽質量的核坍縮超新星(b); 260倍太陽質量的對不穩定超新星(c)。
照亮 “恒星考古”之路
這一特殊恒星的發現，首次讓天文學家找到了第一代超大質量恒星及其演化產物對不穩定超新星存在的觀測證據，并從觀測上證實第一代恒星的質量可以達到太陽質量的數百倍，揭示了對不穩定超新星在宇宙早期化學增豐過程中貢獻了大量金屬元素，對研究第一代恒星的初始質量的分布規律意義重大，并將對元素起源、宇宙早期的恒星形成和星系化學演化等方面的研究產生深遠影響。
組成世界和我們身體的元素是在何時、何地以何種方式形成，它們又是如何驅動了生命的誕生，這些問題的答案也許就隱藏在恒星演化的歷史之中。
未來，期待天文學家能夠利用LAMOST和中國空間站工程巡天望遠鏡發現更多化學元素含量特殊的恒星，使人類可以通過捕捉更多第一代恒星留下的化學遺跡，沿著宇宙時光隧道穿越到遠古，認識和了解最高輩分的第一代恒星和早期宇宙的“本來面貌”。
第一代超大質量恒星演化成為對不穩定超新星的藝術展示圖。對不穩定超新星將富含多種元素的物質拋射到星際介質中，輔助下一代恒星的形成。
參考文獻：
[1]Susa, H., Hasegawa, K. & Tominaga, N. The Mass Spectrum of the First Stars, Astrophys. J. 792, 32 (2014)
[2]Abel, T., Bryan, G. L. & Norman, M. L. The Formation and Fragmentation of Primordial Molecular Clouds. Astrophys. J. 540, 39–44 (2000)
[3]Ishigaki, M. N., Tominaga, N., Kobayashi, C. & Nomoto, K. The Initial Mass Function of the First Stars Inferred from Extremely Metal-poor Stars. Astrophys. J. 857, 46 (2018)
[4]Heger, A. & Woosley, S. E. The Nucleosynthetic Signature of Population III. Astrophys. J. 567, 532–543 (2002)
[5]Zhao, G., Zhao, Y.-H., Chu, Y.-Q., Jing, Y.-P. & Deng, L.-C. LAMOST spectral survey — An overview. Research in Astron. and Astrophys. 12, 723–734 (2012)
作者：邢千帆 李雙
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