中國科學家發現最古老的恒星！居然就在我們家門口？ | 袁嵐峰

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導讀：質量越小，茍得越久。你可以選擇作為大質量恒星輝煌燦爛地度過短暫的一生，也可以選擇作為小質量恒星悶聲發大財地茍到宇宙盡頭。
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天文愛好者都聽說過，宇宙的年齡大約是138億年。那么，最早的恒星是什么時候出現的呢？2023年6月，中國科學家領銜的國際團隊真的找到了一顆迄今為止最古老的恒星。更奇妙的是，這顆最古老的恒星居然離我們非常近，——就在銀河系里面。
咦，這是怎么回事？平常不都說離我們越遠的天體越古老嗎？這里怎么反過來了？我的同事與朋友、中國科學技術大學天文學系薛永泉老師寫了一篇文章，解讀了這個發現。下面，我就來基于這篇文章，向大家介紹一下。

薛永泉

首先，需要了解一下宇宙演化的標準理論。在大爆炸之后，一開始是沒有天體的，這叫做“黑暗時代”。大約在大爆炸之后的1至2億年里，形成了第一代恒星。形成它們的原材料是宇宙原初核合成產生的輕元素——大量的H、He與極少量的Li，這些輕元素構成了貧金屬氣體云團。
這里有個很好玩的詞，就是“金屬”。請問，C、N、O是不是金屬？我們平常會認為它們都是非金屬，但天文學中卻把它們都稱為金屬。實際上，天文學的定義是，只要是比H和He重的，都叫做金屬！
這是因為，宇宙中大部分的物質是H，其次是He，比這倆重的幾乎都是通過核聚變產生的，含量就少得多了。因此在天文學家看來，不管你是Li還是C還是O，同樣都是一鍋燉，你們都是少數派，都是通過一些少見的過程產生的，都叫做金屬。
貧金屬氣體云團要形成第一代恒星，就需要塊頭非常大，這樣才能使引力克服熱壓力，把它們吸引到一起。因此，第一代恒星往往質量很大，有的甚至高達幾百倍太陽質量。它們后代的恒星就輕得多了，最大也就到幾十倍太陽質量而已。

原初氣體云團形成第一代恒星的示意圖（圖源：美國宇航局）
接下來是一個非常有趣的問題：第一代恒星有沒有存活到現在的？答案是沒有。
這是一個鑒別天文學內行和外行的經典問題，就是恒星的壽命跟質量是什么關系？外行很可能以為，質量越大，燃料就越多，燒得就越久。但實際正相反，質量越大，壽命越短！這是因為質量越大，核聚變就越劇烈，單位時間內消耗的質量比總質量本身增長得更快，所以結果是壽命變得更短。換句話說就是，質量越小，茍得越久。你可以選擇作為大質量恒星輝煌燦爛地度過短暫的一生，也可以選擇作為小質量恒星悶聲發大財地茍到宇宙盡頭。
第一代恒星的質量非常巨大，因此它們的壽命很短，往往只有數百萬年，遠遠短于太陽的壽命約100億年。跟能茍上萬億年的紅矮星相比，更是倏忽而逝。
第一代恒星的結局，跟它的質量有關。如果它的質量小于一百個太陽質量，那么最后核聚變反應停止的時候，星體會塌縮，產生超新星爆炸，中心的恒星核可能形成黑洞。爆炸過程會把核聚變形成的重元素拋散到星際空間里，這就是星際介質中的元素增豐過程。不過到目前為止，人們還沒有從觀測上直接發現這類第一代恒星的存在。

第一代恒星的超新星爆炸及其元素增豐（圖源：中國科學院國家天文臺）
然而，有一類第一代恒星是有可能留下長壽命后代的。它們的質量高達140到260倍太陽質量，可以產生“對不穩定超新星”（pair-instability supernova）。咦，什么叫做“對不穩定”？什么東西的對？
實際上，這個“對”指的是正負電子對。理論研究認為，這種超大質量第一代恒星內部的核聚變反應極其劇烈，產生的光子能量非常高，光子之間相互作用可以形成正負電子對。這會導致恒星內部的輻射壓迅猛減小，使得整個星體劇烈收縮，釋放出引力勢能，急劇加熱星體使其溫度迅猛升高。這個過程可以非常劇烈，最終就會導致極其猛烈的超新星爆炸，這種類型的超新星就叫做對不穩定超新星。所以我們可以明白，這個名稱的意思是，“正負電子對”導致“不穩定”的“超新星”。

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。對不穩定超新星將含有多種元素的物質拋射到星際介質中，并以此形成下一代恒星（圖源：中國科學院國家天文臺）
對不穩定超新星爆炸如此劇烈，把整個星體的物質基本都炸光了，中心就不會形成黑洞，而是會留下一顆小質量的第二代恒星。其質量可以很小，比如小于太陽質量。這就意味著它們壽命很長，甚至可以與宇宙“同壽”。
這種第二代恒星會有什么特征呢？由于形成第一代恒星的氣體云團是極端貧金屬的，所以對不穩定超新星爆炸形成的第二代恒星往往也是極端貧金屬星。更有趣的是，它們會具有特殊的化學印跡，即所謂的“奇偶效應”——在它們這極少量的金屬元素里，奇數號元素的含量會比相鄰的偶數號元素明顯的低。
這就意味著，如果我們發現了具有奇偶效應的第二代小質量極端貧金屬星，就可以通過研究它們的這個“DNA”，了解它們的父輩對不穩定超新星與第一代恒星的性質。但以前這只是個設想，由于之前已知的小質量貧金屬星的樣本相當有限，人們沒有在其中發現具有奇偶效應的恒星。
“工欲善其事，必先利其器”，研究人員找到了一個最適合做這種恒星“考古”的設備。它就是中國的大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡（Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope），英文簡稱LAMOST，中文名郭守敬望遠鏡。它的主鏡口徑4米，焦面上放置了4000根光纖，可以在一次觀測中分別對準4000個天體，從而同時拍攝其光譜。

郭守敬望遠鏡的全景圖（左上）、主鏡（左下）與光纖定位系統（右）（圖源：中國科學院國家天文臺）
這里的一個核心技術是光纖定位系統。它是由我的另一位同事和朋友、中國科學技術大學精密機械與精密儀器系褚家如老師等人研制的，該技術后來被用于多個大型望遠鏡。

褚家如
郭守敬望遠鏡具有強大的光譜巡天能力。在它高效開展光譜巡天十多年后，它就獲得并發布了超過2000萬條恒星光譜，成為國際上最大的恒星光譜庫。
你可能想問，光譜是什么意思？其實學過原子物理的人都知道，光譜就是樣品對各種波段光的選擇性吸收或發射。LAMOST最擅長的就是測這個。下面的圖就展示了一個典型的恒星光譜。光譜里的暗線是恒星大氣吸收核區產生的輻射而形成的吸收線，每條暗線對應著一個特定元素的特定躍遷，所以我們通過恒星光譜就可以知道恒星的金屬元素組成。

典型的恒星光譜（圖源：中國科學院國家天文臺）
基于郭守敬望遠鏡的海量恒星光譜數據，研究人員開展了國際上最大規模的貧金屬星搜尋項目，發現了上萬顆貧金屬星，并對其中具有極端性質的一小批源，利用口徑8.2米的昴星團望遠鏡進行了光譜精測，更為精確地測定出它們的元素組成，由此發現了迄今已知最為古老的恒星，它叫做LAMOST J1010+2358。下面的圖顯示了一個相當大的貧金屬星樣本里的金屬豐度分布，而我們這位主角LAMOST J1010+2358在其中顯得非常不合群。它的Na、Mg、Co含量都遠低于已知的其他所有貧金屬星，Ba元素含量也幾乎是最低的。所以它可以說是貧金屬星中的貧金屬星，簡直是一貧如洗，堪稱丐幫幫主。

貧金屬星的金屬豐度分布（紅色記號為LAMOST J1010+2358）（圖源：Xing et al. 2023, Nature）

丐幫幫主蕭峰（動圖）
除了一貧如洗之外，LAMOST J1010+2358還有非常特殊的一個特征：它的金屬豐度分布具有奇偶效應！這正是我們要尋找的關鍵特征。
由于數據質量很好，研究人員可以通過細致的模型擬合，定出它的前身第一代恒星的質量，如下圖所示的三種情況。首先假設超新星的前身星質量是10倍太陽質量，那么理論預期的元素分布跟觀測到的數據完全不匹配。把前身星的質量提高到85倍太陽質量，吻合度有所提高，但差別還是很大。而如果考慮一個具有260倍太陽質量的對不穩定超新星的情形，理論預期就與觀測數據完美匹配了。這樣的分析表明，LAMOST J1010+2358起源于一顆260倍太陽質量的第一代恒星的對不穩定超新星！

觀測到的LAMOST J1010+2358金屬豐度分布與三種不同理論模型預期結果的對比（圖源：Xing et al. 2023, Nature）
結合別的觀測數據，我們可以進一步了解LAMOST J1010+2358的性質。和銀河系里絕大多數的恒星不一樣，它并不處于銀河系的銀盤，而是處于遠離銀盤的銀暈。它距離我們大約3327光年，跟銀河系的半徑62000光年相比，可以說它離我們是相當近的，簡直就在我們家門口。

銀盤和銀暈
它的質量只有0.5倍太陽質量，因而它的壽命很長，從誕生之日起就一直存活到現在。它的年齡應該已經達到了136到137億年，換句話說，它在宇宙大爆炸后僅僅1到2億年的時候就已經存在了——這個時期是第一代恒星出現的大致時間。而它的260倍太陽質量的父輩的壽命僅僅只有兩三百萬年，跟它自己的年齡相比可以忽略不計，因而這顆LAMOST J1010+2358成了現今已知的最古老恒星！
大家或許有些疑惑，通常不是說越古老的天體離我們越遠嗎？這顆最古老的恒星怎么就在銀河系里呢？難道我們如此幸運，銀河系其實是宇宙的中心？
事實上，這是對“越古老的天體離我們越遠”的誤解。這個說法的意思是，對于那些離我們很遠的天體，我們看到的其實是它們在很早以前的樣子，因為光的傳播是需要時間的。比如說，100億光年外的天體，我們現在看到的就是它們100億年前的樣子。至于它們后來如何演化，甚至當前是否依然存在，其實我們是不知道的，因為它們后來發出的光還來不及傳到我們這里。
因此，古老的天體在哪里都可能存在，而LAMOST J1010+2358碰巧就在我們的后院里，這次被研究人員發現了它其實非常古老的這個秘密。不同于那些遙遠的古老天體，我們看到的是它當前的樣子，因為它離我們算是相當近了。而且從觀測難度上看，肯定也是離得越近的越容易觀測到，事實上LAMOST的觀測重點就是銀河系里的恒星光譜巡天。所以，最先找到一個銀河系內的最古老恒星，其實是很自然的，這就好比醉漢在燈光下找鑰匙，不是因為鑰匙一定在這里，而是因為只有在這里能找。
這項成果由中國科學院國家天文臺領銜，2023年6月7日發表于《Nature》。文章的標題是《一顆豐度來自對不穩定超新星的貧金屬星》（A metal-poor star with abundances from a pair-instability supernova），現在你明白是什么意思了吧？

《一顆豐度來自對不穩定超新星的貧金屬星》
最古老恒星LAMOST J1010+2358的發現，首次給出了第一代超大質量恒星以及它的演化產物對不穩定超新星存在的觀測證據，表明第一代恒星的質量確實可以高達幾百倍太陽質量，遠遠比后代恒星質量大。這個發現也揭示出對不穩定超新星在宇宙早期的化學元素增豐過程里貢獻了大量的金屬元素，有助于我們理解第一代恒星的初始質量如何分布、重元素如何起源以及宇宙早期恒星形成與星系化學演化的過程等一系列重要的科學問題。
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擴展閱讀：
《迄今為止最古老的恒星被發現！居然就在銀河系里？ | 薛永泉》
《A metal-poor star with abundances from a pair-instability supernova》
作者簡介：袁嵐峰，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員，中國科學技術大學科技傳播系副主任，中國科學院科學傳播研究中心副主任，科技與戰略風云學會會長，安徽省科學技術協會常務委員，中國青少年新媒體協會常務理事，中國科普作家協會理事，入選“典贊·2018科普中國”十大科學傳播人物。

來源: 風云際會（合肥）文化傳播有限公司

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