撰文：保罗.萨特              2023年2月23日

艺术家对早期宇宙的印象图，展示了在中心的恒星和星系形成的最初爆发。（图片：ESA）

一项新的研究发现，宇宙中最早的恒星可能达到了太阳质量的10000倍以上，大约是现今最大恒星的1000倍。

如今，最大的恒星有100个太阳的质量。但研究人员发现，早期的宇宙是一个更为奇异的地方，充满了放纵生存很快、非常年轻就死亡的超大型巨星。

宇宙的黑暗时代

130多亿年前，大爆炸后不久，宇宙中没有恒星。这里只有一种温暖的中性气体汤，几乎完全由氢气和氦气组成。然而在数亿年后，中性气体开始堆积成越来越致密的物质球。这一时期被称为宇宙的黑暗时期。

在现代宇宙中，致密的物质球很快坍塌形成恒星。但这是因为现代宇宙有一些早期宇宙所缺乏的东西：大量比氢和氦重的元素。这些元素在辐射能量方面非常有效，这使得致密的团块快速收缩，坍缩到足够高的密度，从而引发核聚变——这一过程通过将较轻的元素组合成较重的元素，来驱动恒星形成。

但首先获得更重元素的唯一途径，是通过同样的核聚变过程。几代恒星的形成、融合和消亡使宇宙丰富到现在的状态。

由于没有快速释放热量的能力，第一代恒星必须在截然不同、更困难的条件下形成。

冷锋

为了理解这些第一批恒星的谜题，一组天体物理学家转向了，对黑暗时代的复杂计算机模拟，以了解当时的情况。他们在一月份发表在预印本数据库arXiv上的一篇论文中，报告了他们的发现，并将其提交给《皇家天文学会月刊》，供同行评审。

这项新工作包括了所有常见的宇宙学成分：帮助星系生长的暗物质，中性气体的演化和聚集，以及可以冷却甚至有时加热气体的辐射。但他们的工作包括其他人所缺乏的东西：冷锋——快速流动的冷物质流——冲击已经形成的结构。

研究人员发现，在第一颗恒星形成之前，有一个复杂的相互作用网络。中性气体开始聚集在一起，氢气和氦气释放出一点点热量，这使得中性气体的团块慢慢达到更高的密度。

但高密度的团块变得非常温暖，产生的辐射使中性气体破裂，阻止其分裂成许多更小的团块。这意味着由这些团块组成的恒星可以变得非常大。

超大质量恒星

辐射和中性气体之间的来回相互作用导致了大量的中性气体池——第一批星系的起源。这些原始星系深处的气体，形成了快速旋转的吸积盘——在包括现代宇宙黑洞在内的大质量物体周围形成的快速流动的物质环。

与此同时，在原始星系的外缘，气体冷锋如雨般倾泻而下。最冷、质量最大的锋面穿透原始星系，一直延伸到吸积盘。

这些冷锋猛烈撞击吸积盘，使它们的质量和密度迅速增加到临界值，从而允许第一批恒星出现。

那些第一批恒星不仅仅是普通的聚变工厂。它们是巨大的中性气体团，一下子点燃了它们的聚变核，跳过了分裂成小块的阶段，由此产生了质量巨大的恒星。

那些最初的恒星会非常明亮，寿命极短，不到一百万年。（现代宇宙中的恒星可以活数十亿年）。在那之后，他们会在剧烈的超新星爆发中死亡。

这些爆炸可能携带了内部聚变反应的产物——比氢和氦重的元素——然后为下一轮恒星形成埋下了种子。但现在被更重的元素污染了，这个过程无法重复，这些怪物将永远不会再出现在宇宙场景中。