天文学家发现了证据，证明长期以来被认为存在于早期宇宙中的巨型恒星确实存在。这些恒星的质量是太阳的数百倍，它们应该是第一批将原始氢和氦聚变成更重元素的恒星，留下了一种化学特征，研究人员现在在一颗古老的第二代恒星中发现了这种特征。
关于宇宙的第一批恒星知之甚少，这些恒星应该是在大爆炸后的最初数亿年中，由氢、氦和少量锂云形成的。
长期以来的模拟预测，第一批恒星中有些是巨大的。它们的质量是太阳的100多倍，它们的寿命很短，就像宇宙中的眨眼一样，只有几百万年。当它们以超新星爆发时，它们创造了第一批重元素，后来的星系和恒星就是从这些重元素演化而来的。但此前从未发现过它们存在的痕迹。
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现在，日本东京国家天文台的青木和光（Wako Aoki）和他的同事们利用一种称为恒星考古学的技术，在他们古老的“女儿”恒星的化学成分中发现了这样一颗恒星的第一个线索。这颗遗迹恒星——一颗名为SDSS J0018-0939的恒星——的化学成分表明，它可能是由一片气体云形成的，这片气体云中掺杂着一颗非常巨大的恒星爆炸产生的物质。研究结果发表在8月21日的《科学》杂志上。
东京大学的天体物理学家吉田直纪（Naoki Yoshida）说：“这是一项期待已久的发现。”他没有参与这项研究。他说，尽管许多理论研究预测了这些化学特征的存在，但它们从未在宇宙中被发现，这是一个长期存在的难题。“青木等人似乎终于找到了一件古老的遗迹，它显示出有趣的证据，表明在遥远的过去确实存在过这样一颗巨大的恒星。”
奇怪的混合物
天文学家在小型、低质量的第二代恒星中寻找关于第一批恒星的证据。这些恒星是缓慢燃烧的恒星，已经存在了大约130亿年，它们微量的重元素表明，它们是从一片气体云凝聚而成的，这片气体云仅仅被一次或几次超新星爆发的产物所丰富。
麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）位于剑桥的天体物理学家安娜·弗雷贝尔（Anna Frebel）说：“这些就像橱柜后面的罐头里的豆子——它们永远放在那里，你可以在任何时候打开它们。”她没有参与这项研究。“通过研究它们，你可以拼凑出形成恒星的气体云的成分，以及最初的恒星释放出哪些元素以及释放了多少。”
到目前为止，这类研究未能揭示数值模拟表明应该在早期宇宙中形成的巨型恒星。青木和他的同事们通过研究最初由斯隆数字巡天（Sloan Digital Sky Survey）发现的恒星发现了他们的候选者，该巡天位于新墨西哥州的阿帕奇点天文台（Apache Point Observatory）。他们使用日本昴星团望远镜（Subaru Telescope）上的高色散光谱仪分析了位于夏威夷莫纳克亚山（Mauna Kea）的SDSS J0018-0939，发现这颗恒星具有非常不寻常的元素混合。
青木说：“化学上的特殊性非常显著。”分析表明，与铁等较重元素相比，这颗恒星的碳、镁和钙等较轻元素的丰度非常低。作者说，对这种特征最可能的解释是一种非常巨大的恒星爆炸，称为对不稳定超新星。
当恒星核心的温度变得如此之高，以至于光子对变成电子和正电子对时，就会发生这种类型的超新星。由此导致的外向压力下降会导致恒星急剧坍缩，引发巨大的热核爆炸。青木的团队发现，这将撕裂整颗恒星，并产生相对于较轻元素而言高水平的铁。另一方面，弗雷贝尔说，能量较低的超新星产生的铁与较轻元素相比非常少，因为尽管外层被吹走，但较重的元素会被吸回核心，形成黑洞。
继续搜寻
青木说，虽然这颗恒星的特征表明，它更有可能形成于这种巨型爆炸的残余物，而不是更传统的超新星，但两者并不完全吻合。一些特征仍然无法解释——当模型改进时，这个问题可能会得到解决。 弗雷贝尔说，目前，她会犹豫是否对原始恒星的质量做出明确的预测，或者声称这是唯一的解释。
哈佛-史密森天体物理学中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）位于马萨诸塞州剑桥市的理论天体物理学家托马斯·格雷夫（Thomas Greif）说，这个结果令人兴奋，但也警告说，这并不意味着理论家可以宣布胜利。他说：“目前，这只是一颗恒星，这并不意味着所有这些恒星都会以这种方式爆炸。”
青木的团队估计，每500颗仅显示微量重元素的恒星中，可能有一颗是由这些巨型恒星的残骸形成的，研究人员现在正在研究更多恒星的化学特征，以寻找更多的例子。吉田说，如果这样的恒星如此普遍，未来的天文调查，如计划于2018年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope），或下一代地面巨型望远镜，甚至可能能够直接观测到这些恒星的大规模超新星死亡，在来自最遥远星系的古老光线中。“这将最终证明非常巨大的[第一代]恒星的存在，”他补充道。
本文经许可转载，最初于2014年6月20日首次发表。