基于昴星团望远镜（Subaru Telescope）观测的高分辨率光谱，中国科学院国家天文台赵刚研究员带领的国际研究团队于2023年在一颗银晕恒星（J1010+2358）中发现了第一代超大质量恒星演化后坍缩形成的对不稳定超新星（pair-instability supernova, PISN）产生的化学印记［2］。在此之前，理论研究曾预言这种特殊超新星的存在，但从未被观测发现。这项研究首次在恒星中发现了与PISN理论预言相一致的多种元素丰度分布特征，证明了理论预言的PISN的存在。相关论文在《Nature》发表后迅速引起了银河系考古和超新星研究领域同行的广泛关注。

该研究团队基于Subaru光谱确定了镁、钛、锰、铁等9种元素的含量，并估计了锌和钡等元素的含量上限，这些元素的含量与260倍太阳质量的PISN理论模型高度吻合，显示J1010+2358中的已知金属几乎全部来自于PISN。

然而，Subaru光谱的曝光时间偏短，只有0.8小时，光谱的信噪比偏低，碳、钠、钪（C、Na、Sc）元素的吸收线未能被探测到；同时Subaru光谱的波长覆盖范围为400-680nm，没有包含铝、钒(Al, V)等元素吸收线所在的波段（小于400nm）。因此，该研究团队无法通过已有Subaru光谱确定J1010+2358中碳、钠、铝、钪、钒的含量。这些元素的含量也是研究PISN对恒星物质贡献的重要指标（见图3所示），这些元素含量信息的缺失会影响对PISN贡献的金属占比的全面评估。天文学中，通常将氢和氦之外的所有元素称为金属元素。为确定J1010+2358中这些缺失元素的含量，研究团队在2022年申请并获得了Subaru望远镜4个小时的观测时间，但由于该望远镜设备故障和天气原因，至今未能获得相关数据。

图2：甚大望远镜和高分辨率光谱仪（ESO）

PISN是否存在是银河系考古、超新星和恒星研究领域最重要的前沿问题之一。因此，国际上配备了高分辨率光谱仪的8-10米级望远镜，如欧洲南方天文台甚大望远镜（Very Large Telescope, VLT）和美国凯克望远镜（Keck Telescope），都对恒星J1010+2358展开了后随观测［3,4］，以期确定前期工作中缺失元素的含量，并全面评估更多元素含量与理论计算的符合度。其中，佛罗伦萨大学Skúladóttir博士领衔的欧洲团队使用VLT于2024年1月获得的高分辨率光谱具有最大的波长覆盖范围［3］（376-927nm），最高的光谱分辨率和最长的曝光时间（7.5小时），使得他们确定了更多元素的含量，如碳、钠、铝、钪。VLT光谱得到的镁、钛、铬、锰、铁、镍、锌、钡的元素含量与Subaru光谱的分析结果相符，但VLT光谱新得到的碳、钠、铝、钪的含量却显著高于100%的260倍太阳质量PISN模型的预测值（见图3所示），表明J1010+2358中的金属并非100%来自于260倍太阳质量的PISN。Keck望远镜光谱的研究团队也确定了碳、钠、铝、钪的元素含量，同样发现这些元素的含量高于PISN模型的预测值［4］。

图3：VLT光谱得到的元素含量与超新星模型的比较。横轴表示不同原子序数的元素，纵轴表示对应元素的相对含量。红色圆点代表VLT观测数据的分析结果。黑色虚线代表100%的260倍太阳质量PISN模型，蓝色实线代表50%的260倍太阳质量PISN模型。

为确定J1010+2358中到底含有多少来自PISN的物质，Skúladóttir博士及合作者将VLT光谱得到的元素含量与不同类型超新星的理论模型进行了大量的比较，发现J1010+2358中约50%的金属来自260倍太阳质量的PISN（见图3所示），其它金属则有可能来自于一颗星族III恒星演化形成的核坍缩超新星（core-collapse supernova, CCSN）。

此外，Skúladóttir博士等人发现将一个13倍太阳质量星族II恒星的CCSN模型［5］（由Woosley教授在1995提出）与一个星族III恒星的CCSN模型相混合也可以较好的解释J1010+2358的元素含量。但Skúladóttir博士认为这种解释存在两个问题：首先，Woosley教授在1995提出的13倍太阳质量星族II恒星的CCSN模型没有得到后续CCSN理论计算结果的支持，该模型预言的诸多元素含量特征未能在其他超新星理论学家计算得到的CCSN模型中得到复现［6,7］；其次，星族II恒星的质量范围很大，一颗13倍太阳质量的星族II恒星不太可能独自增丰一片仅被星族III恒星增丰过的区域，理论上质量处于13-120倍太阳质量之间的星族II恒星极大可能会提前增丰这片区域［6］。因此，在排除掉13倍太阳质量星族II恒星的CCSN模型后，50%的PISN模型成为了解释J1010+2358中元素含量的最佳模型。

总体而言，化学特殊恒星J1010+2358仍是当前能证明PISN存在的最直接和可靠的观测证据。欧洲天文学家利用VLT对这颗恒星进行的后续观测和更多元素的含量分析表明PISN贡献的金属最高可能占到这颗恒星金属总量的70%。中国科学院国家天文台研究团队与合作者们正在利用LAMOST光谱巡天数据寻找更多带有PISN化学印记的恒星，计划通过对它们的化学丰度分析研究PISN前身星的质量及其分布，进而给出宇宙早期的恒星初始质量函数。

参考文献：

［1］Beers, T. C., Christlied, N. 2005, ARA&A, 43, 531

［2］Xing, Q. F., Zhao, G., Liu, Z. W., et al. 2023, Nature, 618, 712

［3］Skúladóttir Á., Koutsouridou I., Vanni I., et al. 2024，arXiv:2404.19086

［4］Thibodeaux, P. N.; Ji, A. P.; Cerny, W., et al. 2024, arXiv:2404.17078

［5］Woosley, S. E. ; Weaver, T. A. 1995, ApJS, 101, 181

［6］Limongi, M., Chieffi, A. 2018, ApJS, 237, 13

［7］Heger, A., Woosley, S. E. 2002, ApJ, 567, 532

作者简介

邢千帆，理学博士，中国科学院国家天文台副研究员，主要从事恒星光谱和元素丰度等方面的研究。

柳正伟，理学博士，中国科学院云南天文台研究员，博士生导师，主要从事超新星、双星演化和计算天体物理等方面的研究。

李海宁，理学博士，中国科学院国家天文台研究员，主要从事银河系考古方面的研究。