詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 的主要建造目的是为了改变我们对早期宇宙的理解。在启动不到一年后，它正在发挥作用，发现了比以往任何时候都更早的宇宙星系。然而，该望远镜还有另一个不太为人所知的目标，即探测大爆炸后 138 亿年前的最早时刻。它正在寻找宇宙中第一批亮起的恒星的迹象，即所谓的第三星族恒星，它们是由纯粹的氢和氦组成的巨大球体，发出耀眼的光芒，首次为宇宙带来光明。“它们有点像在幕后，”加州大学圣克鲁兹分校的加思·伊林沃思说，主要是因为找到它们非常困难。从未对这类恒星进行过明确的探测，但我们知道它们一定存在。现在，两项新的研究成果使我们比以往任何时候都更接近于发现它们。
在发布在预印本服务器 arXiv.org 上的一对论文中，两个天文学家团队报告了第三星族恒星的有希望的迹象。在第一项研究中，由剑桥大学的罗伯托·麦奥利诺领导，研究人员认为他们可能在一个遥远星系的边缘发现了一小片第三星族恒星。第二项研究由意大利国家天体物理研究所的埃罗斯·万泽拉领导，暗示了一个微小的星系，即使不是由第三星族恒星本身组成，也可能是由宇宙早期诞生的极其原始的恒星组成。“这些论文很好地突出了搜索的不同方面，”苏黎世瑞士联邦理工学院的乔里特·马修说，他没有参与这两篇论文。“我们几乎要成功了。”
在大爆炸后约 40 万年，宇宙充分冷却并平静下来后，第一批原子得以形成：氢和氦。这些原子会在重力作用下聚集在一起形成巨大的云团，最终形成第三星族恒星。由于没有其他恒星的竞争，这些恒星可能会在这些星团内生长到巨大的尺寸——至少比我们的太阳大数百甚至数千倍。这种庞大的体积意味着这些恒星寿命短暂，会在数百万年内耗尽燃料并以超新星的形式爆炸。然而，这些爆炸对于宇宙至关重要。它们释放了在恒星内部形成的更重元素，如氧和碳，这些元素产生了第二星族恒星，以及后来的第一星族恒星，如我们的太阳，甚至还有地球和生命本身等行星。
支持科学新闻事业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻事业 订阅。通过购买订阅，您将有助于确保未来能够继续产出关于塑造我们当今世界的发现和想法的有影响力的报道。
这些短暂的寿命使得追踪第三星族恒星变得困难，但并非不可能。一些原始气体云应该在大爆炸后持续存在一段时间，可能长达数亿年。与此同时，恒星的巨大热量，其表面温度约为 90,000 华氏度——是我们太阳温度的 10 倍——应该会释放出氦气的明显迹象，而氦气只能在如此高的温度下产生。然而，由于从我们的角度来看，它们非常小，并且可能与后来的第二星族恒星混杂在一起，因此大多数望远镜都无法探测到它们——直到 JWST。从 20 世纪 80 年代望远镜的早期规划开始，重点就一直放在星系上。“当谈到关于 JWST 潜力的科学讨论时，它始终是关于最早的星系，”伊林沃思说，他是运行 JWST 的太空望远镜科学研究所的前任副主任。“出于政治目的，我们试图保持非常简单。”然而，找到第三星族恒星的可能性一直是一个诱人的，即使是极其困难的可能性。“在早期宇宙中搜索第三星族恒星是 JWST 旨在完成的科学的关键部分，”美国宇航局戈达德太空飞行中心的简·里格比说，她是 JWST 的运营项目科学家。
英格兰曼彻斯特大学的丽贝卡·鲍勒说，这样做将是“一项巨大的发现”。“我们仍然没有看到第三星族恒星的明确证据。它们是我们理解宇宙历史中缺失的一环。”在 JWST 之前，一个被吹捧为第三星族恒星潜在宿主的星系 CR7，似乎在 2017 年被排除。今年早些时候 JWST 的一项更新结果在遥远的星系中发现了初步迹象，但结果仍不确定。“我们以前没有能够找到它们的仪器，”鲍勒说。“JWST 是我们最好的机会——它非常巨大，并且具有正确的波长覆盖范围。”
麦奥利诺的团队使用 JWST 观测了一个名为 GN-z11 的星系，该星系此前于 2015 年由哈勃太空望远镜发现。GN-z11 可以追溯到大爆炸后仅 4 亿年，并且是已知最遥远的星系，直到 JWST 发现了更遥远的星系。通过称为光谱学的过程，分析星系边缘的光线，他们发现了氦气的迹象，这可能与星系外围区域的小片第三星族恒星有关。如果正确，星团中的恒星质量将至少是太阳的 500 倍，总质量为 60 万个太阳质量，这将解释该团队看到的信号。“我们正在将望远镜推向极限，”麦奥利诺说。“这些可能是气体团块，没有与星系的其他部分充分混合。”另一种可能性是，信号来自直接坍缩黑洞，这是一种理论上的、前所未见的物体，其质量是太阳的数万倍，是超大质量黑洞的种子。他说，那也“仍然是一个非常令人兴奋的发现”。
万泽拉的团队采用了不同的方法。利用名为 MACS J0416 的星系团的引力，该团队探测到来自一个非常小且非常遥远的星系的氢气和少量氧气的放大发射。“它被放大了大约 500 倍，”国家科学基金会国家光学-红外天文研究实验室 (NOIRLab) 的马克·狄金森说，他是该论文的合著者。虽然研究人员无法直接看到星系的光，但他们的发现表明，在早期宇宙中存在两个极小的恒星团，总质量可能不到 10,000 个太阳质量，并且在大爆炸后约 8 亿年被观测到。这些星团似乎并非完全由第三星族恒星组成，但存在的重元素量非常少。“重元素丰度低于我们在宇宙中见过的任何其他物质，”狄金森说。“它与我们见过的原始星系非常接近。”
虽然这两篇论文都不是对第三星族恒星的明确探测，但它们都是我们迄今为止证明其存在的最有力证据。“它们更接近了，但它们不是结论性的，”英格兰朴茨茅斯大学的丹尼尔·惠伦说，他没有参与这项研究。鲍勒说，虽然这两篇论文都“没有完全符合所有条件”，但两者“都非常有趣，并且指向了第三星族的方向”。需要对这两个目标进行进一步研究，以真正确定它们是否包含原始恒星或至少接近原始恒星的恒星。
上周发表在《自然》杂志上的另一项研究结果发现，在家附近发现了第三星族恒星的线索。天文学家研究了我们星系晕中的一颗恒星，发现它含有不寻常的重元素成分，并且钠含量不足。这表明它可能是由第三星族恒星在理论上的对不稳定性超新星中灰烬形成的，当质量在太阳的 140 到 260 倍之间的恒星经历失控的热核爆炸时，就会发生这种情况。“我们知道第一代恒星可以产生这种化学元素模式，”中国科学院的赵刚说，他是该论文的合著者之一。该团队估计他们观测到的第二代恒星已有 130 多亿年的历史，是在大爆炸后仅 5 亿年，在第三星族恒星死亡后形成的。
即将开展的工作，特别是使用 JWST 的研究人员的工作，将使我们更接近直接看到来自第三星族恒星的光。剑桥大学的汉娜·于布勒和麦奥利诺成功提议在 JWST 的第二个科学年（从 7 月开始）中使用 JWST，以观测早期宇宙中七个似乎重元素含量较低的星系。“我们想观察这些星系的周围环境，看看我们是否能在它们的外围区域找到第三星族恒星，”于布勒说。“然后，在一些假设下，我们就可以限制恒星的质量。”马修领导的另一个 JWST 项目将搜索早期宇宙中“星系内部或周围”缺乏重元素的气体云，马修说。
看到如此集聚的第三星族恒星可能是 JWST 可能实现的极限，这使我们能够确认这些恒星在宇宙特定时期存在的证据，并告诉我们一些关于它们生长到的大小的信息。然而，存在一种微小的可能性，即如果未来的观测中，单个第三星族恒星被充分放大，例如在星系团周围，望远镜可能能够分辨出它们。“原则上，这是可能的，但你必须非常幸运，”于布勒说，并补充说这将需要放大 1,000 倍或更多。目前，我们最好的选择是寻找来自小星团的发射，这是一项 JWST 非常适合的任务。如果我们能找到它们，它将开启对我们宇宙如何开始的全新理解。“我们想知道一切是如何开始的，”麦奥利诺说。“如果没有第一代恒星的化学富集，就不会有其他任何东西。这是我们宇宙形成的关键时期。”