宇宙「黑暗時代」終結者 遠古超大恆星(圖)

第二代恆星J0018-0939帶有宇宙第一代恆星的化學印記。（National Astronomical Observatory of Japan）

幾十年來科學家猜測宇宙的第一代恆星中一定存在著一些大質量的恆星，近日日本天文學家的觀測結果支持了該理論。他們在一顆古老的橙色恆星中，找到了可能是宇宙最初恆星之一所留下的印記。這顆最初恆星的質量可能是太陽的140倍以上。

數十億年前，當第一代恆星以壯觀的超新星形式爆炸後，將內部物質拋擲到太空中，形成氣體雲，最終形成了一顆橙色恆星，這顆恆星現在距離地球約1000光年遠。瞭解這些第一代恆星的質量或質量範圍很重要，它幫助天文學家瞭解最早期宇宙如何從充滿氣體的黑暗究竟轉變為充滿新生星系和恆星的地方，以及由黑暗轉為光明所需要的時間。

美國得克薩斯大學奧斯汀分校的天體物理學家布隆姆（Volker Bromm）說，「宇宙的黑暗時代如何結束，真的取決於第一代恆星的質量」，他稱新發現是「重要的數據點」。

根據目前科學界普遍認可的大爆炸理論，我們的宇宙是137.5億年前由一個非常小的點爆炸形成的。大爆炸初期宇宙極為明亮，但隨著宇宙的膨脹，能量逐漸形成了物質，大量氫氣瀰散在宇宙中。直到10億年後，星系產生的多了，宇宙才開始亮起來。這10億年被稱為宇宙的「黑暗時代」。在宇宙的「黑暗時代」，氣體裡幾乎沒有金屬，恆星、黑洞、星系結構都還沒有形成，沒有可見光，也沒有電磁輻射。

科學家認為，大爆炸幾億年後宇宙的第一代恆星誕生，當時，稀薄的氫氣氦氣和暗物質混合物充斥太空。不規則暗物質團塊開始塌縮，氣體高度密集，成為恆星並開始發光。許多這些第一代恆星，被稱為第三星族星（population III stars），它們是被相信在宇宙早期應該普遍存在的質量極大的恆星。這些恆星質量巨大，是太陽質量的幾百倍，由緩慢塌縮的大型氣體雲所形成，這些巨大恆星能量很大，足以重塑周圍環境，幫助形成早期的星系和星團，並燃燒掉氫氣霧。經過幾百萬年後，生命短暫的大質量恆星死亡時爆炸的超新星威力之強可以摧毀星系。爆炸時拋出的化學元素植入了周圍的氣體雲，天文學家現在可以像讀取指紋一樣讀取這些印記。這些元素有助於氣體雲冷卻和更快凝結，劇烈改變了氣體的冷卻機制，改變了恆星形成機制，形成了質量較小的第二代恆星，導致第一代恆星退出歷史舞臺。第二代恆星其中一些至今仍然存在，科學家可以用其研究太古恆星的印記。

日本國家天文臺以青木和光為首的天文學家團隊開始尋找可能攜帶了來自第一代祖先印記的第二代恆星，他們尋找金屬含量低、質量小的長壽恆星，這些小恆星可能形成於宇宙初期，並且沒有受到超新星爆炸物污染。

青木和光說，「金屬含量低的恆星清楚記錄單一次超新星爆炸的產物 我們可以從這顆恆星的化學丰度估算前身恆星的質量。」

調查中，編號為J0018-0939的橙色小恆星脫穎而出。它的碳、鎂和鈷含量都很低（這些元素在天文學中都被視為「金屬」），但鐵的含量卻特別高。本來這麼高的含鐵量足以把這顆恆星從調查範圍排除了，但是它引起了科學家的好奇。

該小組使用夏威夷昴星望遠鏡觀測這顆恆星，仔細研究它的化學組成和化學元素的丰度，結果是前所未見的。布隆姆說「他們冒了個風險，結果很值得」。

接下來，天文團隊比對這顆恆星的化學印記的觀測數據與超新星爆炸可產生印記的模擬數據，發現最符合這顆恆星化學組成的爆炸模型，是「不穩定對超新星」，不穩定對超新星只會發生在質量介於130至250倍太陽質量，並且擁有中等金屬量的恆星，最常見於第三族恆星，這種爆炸的威力可以比今天看得到的超新星大一百倍。

青木和光說，能夠產生「不穩定對超新星」並且產生如此大量的鐵的唯一方式，就是有一顆質量至少是太陽140倍的巨星發生爆炸。不過這顆橙色小恆星的化學成分並不完全符合這類爆炸會產生的物質。

麻省理工學院的天文學家佛裡貝爾（Anna Frebel）曾經觀測到一些其他的第二代恆星，這些恆星與J0018-0939一樣，也帶有宇宙最早恆星的印記，不過那些印記並未顯示巨大質量恆星的存在。

布隆姆說，宇宙初期也存在大量較小質量的恆星，大型恆星很可能是少數。計畫於2018發射升空的詹姆斯．韋伯太空望遠鏡或許能夠為揭示太古宇宙之光提供新的線索。