大、明亮的大质量恒星在宇宙年轻时更常见

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Phil Plait

Wed, July 20, 2022 at 9:00 PM

  宇宙最惹人的一个方面是它随着时间变化。

哦，当然，我们的存在归功于这个事实，但这也意味着研究宇宙能是困难的。这并不全是糟糕的：因为光要用时间来穿过空间的广袤距离，当我们观察非常遥远的天体时我们视它们为它们是更年轻时一样。这对理解宇宙当它在刚刚开始时是的以及从那时起怎样变化了是极端有用的。

然而，远处的天体是微弱和小的，这能使它们不能详细来研究的。因此，天文学家不得不做的一件事就是环顾四周局部宇宙，在那里的东西是大和亮的并且更容易来研究，然后当观察遥远的年轻宇宙时推断那个。这意味着我们假设东西当时是的类似于东西现在是的。

但如果天体随着时间变化，这种假设能让你进入麻烦。刚刚发表的一项新结果表明这正是天体物理学中的正在发生的一个重要方面：恒星怎样被诞生。在这项工作中，科学家们表明回到当时恒星被不一样的诞生：总的来说，在早期宇宙中大质量恒星比现在更常见。这听起来可能没什么大不了的，但它非常多的是因为大质量恒星对它们的星系有过大的影响，包括它们中有多少爆炸、制造了多少黑洞等等。

Westerlund-1是银河系中质量最大的星团之一。阿塔卡玛观测（红色）叠加在哈勃望远镜的一幅图像上，表明几颗恒星被温暖的尘埃笼罩。Credit: ESO/D. Fenech et al.; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

他们观察到的是某些叫初始质量函数的东西，它描述一个给定质量的恒星有多少诞生于一个气体云。我以前写过这个：

如果你就在现在观察我们的银河系并数其中的恒星，你会发现某些大约2000亿个的东西，加或减。但它们并不完全相同：有些像太阳一样，有一点更大质量的，很少有真的大质量的------比如说，太阳质量的100倍------还有一整个像红矮星这样只有太阳质量的一半或更小的小矮星。从广义上讲，80%的恒星质量低于太阳，10%相同，10%更高。

这是我们叫一个恒星质量函数的：在给定质量的一箱有多少颗恒星。但它实际上比这更复杂。星星变化。它们被诞生，它们死。大质量恒星寿命不长，而质量更低的恒星寿命长达数万亿年。因此，质量函数随时间变化。有一个初始质量函数[或IMF]，这说出自一个单一的巨大的气体和尘埃云有多少颗是什么质量的恒星同时诞生。然后，就像恒星变化一样这随着时间变化。

可能是一个单一的、普遍的初始质量函数的想法是诱人的，因为这使事情容易的。然而，由于宇宙本身的条件变化，初始质量函数本身随着时间变化远更有可能。例如，宇宙正在膨胀和冷却，这意味着在过去它更小、更温暖。我们知道尘埃------当恒星死亡时创造的岩石和/或烟灰物质的颗粒，它们形成云也参与恒星的形成 ------我们看到一个星系越远在星系中就越热。更高的环境温度肯定能影响恒星被诞生的方式 ------一个更温暖的气体能以更好站起它自己抵抗它的引力，因此它用更多的质量制造一个给定的恒星。但在真实的宇宙中这种情况是真的吗？

这就是新工作所调查的[link to paper]。 他们观察了COSMOS目录中惊人的140000个星系，这是一个超过一百万个星系的巨大数据库，编目它们的各种特征。诀窍是：大质量恒星非常明亮和蓝色并且寿命不长。质量较低的恒星是微弱的、橙色和红色的并且活了很长时间。如果你对一个星系假设一些初始质量函数，然后使用恒星如何生存和死亡的模型，你能推断在不同时间星系的颜色。然后你检查数据库，看看星系实际上是什么颜色。

到目前为止，天文学家已经使用一个相当标准的初始质量函数来做这种工作。新的是该团队让初始质量函数本身成为一个变量，以不同的方式改变它来看什么最拟合实际的观察结果。

他们发现了的是对遥远的星系，大质量恒星被诞生在比它们现在是的更高速度上。这是他们更普遍的初始质量函数依赖于在过去是更高温度的粉尘的结论的结果。.

使用自然彩色滤光片的球状星团M2的哈勃图像。 Credit: NASA, ESA, STScI and A. Sarajedini (University of Florida)

因此为什么这很重要呢？大质量恒星对它们的环境有一个巨大的影响。首先，在活着时它们吹出亚原子粒子的猛烈风并炸出大量的紫外线，这些紫外线能侵蚀掉它们直接的气体和尘埃云------只要看看猎户座大星云就可以证明这一点------如果以足够多的数量创造实际上能影响整个星系，改变恒星形成的方式数万光年。

当它们死去时...它们爆炸。这能通过坍塌云层来触发附近星云中的恒星形成，或者再次将物质从星系中吹走。在那之后，它们留下很多中子星和黑洞，因此有那个。

超新星还创造铁和镍等重元素以及其他有趣的东西，帮助建造像地球这样的类地行星，用碳和氧填充它们，并用生命所需的元素播种它们。

因此，大质量恒星对它们的宿主星系有一个深远的影响。我们的银河系曾经很年轻，因此它也可能有过比我们想的更多的大质量恒星。这如何改变我们知道关于它的呢？这仍有待确定。这项研究观察遥远的星系，但它很可能影响我们知道关于我们能自己的。