宇宙的第一批恒星仍然飘忽但天文学家正在接近中

撰稿人 Bruce Dorminey

Dec 27, 2022,03:41am EST

SCIENCE

我报道航空航天、天文学并主持宇宙争议播客。

艺术家的印象显示一个用欧洲南方天文台的非常大望远镜发现的非常遥远的星系CR7。有强的第一代恒星潜伏在它之内的例子的证据。这些大质量的恒星创造了历史上第一批重元素------来锻造今天我们周围的恒星、围绕它们的行星以及我们所知道的生命必需的元素。ESO/M. KORNMESSER

宇宙的非常第一批恒星------天文学的观测圣杯之一------可以说今天仍然像它们四分之一世纪前一样飘忽的。但天文学家正在接近这些光的第一批点。虽然这些所谓的种群III（Pop III）恒星还没有被发现，但理论家正在理解它们怎样刚好进化、开启和或许甚至死亡中取得进展。

在我们的视野中我们欠这些第一批恒星一切。既没有我们能用肉眼看到的几千个光点，如果没有这些长期寻求的恒星祖先我们的太阳系的行星也不会存在。

甚至没有检测到它们，研究人员正在对它们的初始质量和寿命放上更好的约束。即将发表在《天体物理学杂志》上的一篇论文提出新的进化模型，预测这些最早的恒星已经有过从我们的太阳的100到1000倍的初始质量范围。

意大利帕多瓦大学天文学博士生该论文的主要作者古格列尔摩沃尔帕托告诉我，我们的模型计算出质量高达太阳一千倍的种群III恒星，但我们不知道那个大质量的恒星是否真的存在过。他说，有很好的在缺乏金属的情况下坍塌来形成恒星的气体云碎片能比金属存在远更重的论据。他说，这些论点激发了我们来探索这些最高质量范围。

这些恒星是什么时候第一次形成的？

沃尔帕托说，按照种群III恒星形成的“标准模型”，预测了它们开始在大约20到30的红移形成。他说，这对应于大爆炸后大约1亿到2亿年。相比之下，由韦伯太空望远镜最近探测到的最早的已知星系的红移位于仅13的红移。

它们怎样结束它们生命的？

沃尔帕托说，对于大的和非常大质量的恒星，如果恒星通过所有主要的核燃烧相，那么它有一个被所谓的洋葱皮结构包围的铁核。他说，这些类型的恒星可以通过要么爆炸成一颗超新星要么坍塌并形成一个黑洞结束它们的生命。

了解这些流行种群III恒星怎样进化和死亡不仅仅是好奇性的问题。作者指出，这样的研究对于理解原始恒星黑洞怎样为超大质量黑洞的汇聚提供种子有意义。

它们在氢燃烧主序列上呆了多长时间？

沃尔帕托说，在我们的论文中我们考虑了初始质量在我们的太阳质量的100到1000倍之间的恒星。对于这些恒星它们的氢燃烧寿命在1.6至2.6百万年之间，他说，随恒星初始质量的减小增加。

这大约是我们太阳附近最大恒星主序星寿命的一半。它只是我们的太阳氢燃烧寿命的一个分数，估计我们的太阳将在主序上呆100亿年。

沃尔帕托说，与我们的太阳相反我们的太阳将作为一颗膨胀的红巨星结束它的生命，种群III恒星质量大约是太阳的300倍或更多应该通过直接坍塌成非常巨大的黑洞结束它们的生命。

“这些所谓的坍塌星有旋转的恒星核，坍塌成巨大的黑洞”。

沃尔帕托说，坍塌星场景是最被接受的长周期伽马射线暴祖星模型。他说，在恒星核坍塌并形成一个带有吸积盘的黑洞之后，大量的能量被沿发射伽马射线暴的极方向沉积。

南印度洋上空的银河系。我们家乡星系的核心直接在类地平线上，到微弱的洛夫乔伊彗星的左侧。马赛克合成照片。国际空间站030机组，December 29, 2011。GETTY

沃尔帕托说，由种群III 伽马射线暴产生的余辉的发射光谱应该可以被目前的天基伽马射线天文台探测到。他说，这种余辉来自伽马射线辐射与祖星恒星周围介质的相互作用。

至于在光谱中探测种群III恒星？

沃尔帕托说，“这些恒星对观测是非常有挑战性的，主要是由于巨大的距离和它们的非常微弱的光度”。

沃尔帕托说，来自下一代地面引力波探测器的未来数据，如爱因斯坦望远镜和宇宙探测器，可能能够来探测到迄今为止由种群III恒星创造的未被探测到的引力波。

至于用韦伯太空望远镜观察种群III恒星？

沃尔帕托说，甚至用韦伯望远镜，观测一颗恒星也需要有一个放大倍数与那些已知最遥远天体推断的放大倍数相当的引力透镜。

他说，如果目标是种群III星团或一个星系，那么有可能用韦伯而不需要引力透镜效应。

*一个本文的早期版本错误地指出坍塌星能坍塌成白矮星和中子星，并且没有提到这些大质量的种群 III恒星核必须旋转才能产生伽马射线暴（GRB）。

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我Bruce Dorminey是一名科学记者，也是《宇宙争议》的主持人(brucedorminey.podbean.com) 以及《遥远的..

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