关于支持科学新闻报道
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报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
编者注：我们发布的是 2002 年 3 月刊的这篇专题报道，因为在美国天文学会年会上发布了关于此处讨论的现象的新闻。
我们生活在一个充满明亮物体的宇宙中。在晴朗的夜晚，人们可以用肉眼看到数千颗恒星。这些恒星仅仅占据了银河系附近的一小部分；望远镜揭示了一个更加广阔的领域，它闪耀着来自数十亿星系的光芒。然而，根据我们目前对宇宙学的理解，宇宙在其早期历史的漫长时期内是单调乏味和黑暗的。第一批恒星可能在大爆炸后 1 亿年才出现大爆炸，并且在星系在宇宙中扩散之前，又过去了将近 10 亿年。天文学家长期以来一直想知道：从黑暗到光明的这种戏剧性转变是如何发生的？
经过数十年的研究，研究人员最近在回答这个问题方面取得了巨大进展。宇宙学家利用复杂的计算机模拟技术，设计了模型，展示了大爆炸遗留下来的密度波动如何演变成第一批恒星。此外，对遥远类星体的观测使科学家能够及时回溯，并瞥见“宇宙黑暗时代”的最后日子。
新模型表明，第一批恒星很可能非常巨大且明亮，它们的形成是一个划时代的事件，从根本上改变了宇宙及其随后的演化。这些恒星通过加热和电离周围的气体，改变了宇宙的动力学。最早的恒星还产生和分散了第一批重元素，为最终形成像我们自己的太阳系铺平了道路。一些第一批恒星的坍塌可能为超大质量黑洞的增长埋下了种子，这些黑洞在星系的中心形成，并成为类星体壮观的动力源。简而言之，最早的恒星使我们今天看到的宇宙的出现成为可能——从星系和类星体到行星和人类，应有尽有。
黑暗时代 对早期宇宙的研究受到缺乏直接观测的阻碍。天文学家已经能够通过将望远镜对准数十亿年前发光的遥远星系和类星体来检查宇宙历史的大部分内容。每个物体的年龄可以通过其光的红移来确定，红移显示了自光产生以来宇宙膨胀了多少。迄今为止观测到的最古老的星系和类星体可以追溯到大爆炸后约 10 亿年（假设宇宙的当前年龄为 120 亿至 140 亿年）。研究人员将需要更好的望远镜才能看到来自更早时期的更遥远的物体。
然而，宇宙学家可以根据宇宙微波背景辐射对早期宇宙进行推断，宇宙微波背景辐射是在大爆炸后约 40 万年发出的。这种辐射的均匀性表明，当时的物质分布非常平滑。由于没有大型发光物体来扰乱原始汤，因此它一定在随后的数百万年内保持平滑且单调乏味。随着宇宙膨胀，背景辐射红移到更长的波长，宇宙变得越来越冷和黑暗。天文学家没有对这个黑暗时代的观测结果。但在大爆炸后 10 亿年，一些明亮的星系和类星体已经出现，因此第一批恒星一定是在此之前形成的。这些第一批发光物体何时出现，它们又是如何形成的？
包括剑桥大学的马丁·里斯和哈佛大学的亚伯拉罕·勒布在内的许多天体物理学家，为解决这些问题做出了重要贡献。最近的研究始于描述大爆炸后宇宙演化的标准宇宙学模型。尽管早期宇宙非常平滑，但背景辐射显示出小规模密度波动的证据——原始汤中的团块。宇宙学模型预测，这些团块将逐渐演变成引力束缚结构。较小的系统会首先形成，然后合并成较大的聚集体。密度较高的区域将形成丝状网络，第一批恒星形成系统——小型原星系——将在该网络的节点处合并。以类似的方式，原星系随后将合并形成星系，而星系将聚集到星系团中。这个过程仍在进行中：尽管星系形成现在已基本完成，但星系仍在组装成星系团，而星系团又聚集成一个巨大的丝状网络，横跨整个宇宙。
根据宇宙学模型，第一批能够形成恒星的小型系统应该在大爆炸后 1 亿到 2.5 亿年之间出现。这些原星系的质量将是太阳的 10 万到 100 万倍，直径约为 30 到 100 光年。这些特性与目前在银河系中形成恒星的分子气体云的特性相似，但第一批原星系在某些基本方面有所不同。首先，它们主要由暗物质组成，暗物质是被认为构成宇宙质量约 90% 的假想基本粒子。在当今的大型星系中，暗物质与普通物质分离：随着时间的推移，普通物质集中在星系的内部区域，而暗物质仍然分散在巨大的外部晕中。但在原星系中，普通物质仍然会与暗物质混合在一起。
第二个重要的区别是，原星系除了氢和氦之外，不包含任何大量的其他元素。大爆炸产生了氢和氦，但大多数较重的元素仅由恒星中的热核聚变反应产生，因此在第一批恒星形成之前它们不会存在。天文学家使用术语“金属”来表示所有这些较重的元素。银河系中年轻的富含金属的恒星被称为 Population I 恒星，而古老的贫金属恒星被称为 Population II 恒星；按照这个术语，完全没有金属的恒星——第一代恒星——有时被称为 Population III 恒星。
在没有金属的情况下，第一批恒星形成系统的物理学将比当今的分子气体云简单得多。此外，宇宙学模型原则上可以提供对第一代恒星之前初始条件的完整描述。相比之下，从分子气体云中产生的恒星诞生于复杂的环境中，这些环境已被先前恒星形成的影响所改变。因此，科学家可能会发现模拟第一批恒星的形成比模拟当今恒星的形成更容易。无论如何，对于理论研究来说，这是一个有吸引力的问题，一些研究小组已经使用计算机模拟来描绘最早的恒星的形成。
由汤姆·阿贝尔、格雷格·布莱恩和迈克尔·L·诺曼（现在分别在宾夕法尼亚州立大学、麻省理工学院和加利福尼亚大学圣地亚哥分校）组成的小组进行了最真实的模拟。我们与耶鲁大学的保罗·科皮合作，进行了基于更简单假设的模拟，但旨在探索更广泛的可能性。现在在日本大阪大学的鹤部彻（Toru Tsuribe）使用更强大的计算机进行了类似的计算。中村文孝和梅村雅之（现在分别在日本新潟大学和筑波大学）使用了一种更理想化的模拟，但它仍然产生了有益的成果。尽管这些研究在各种细节上有所不同，但它们都对最早的恒星可能如何诞生给出了类似的描述。
要有光！ 模拟表明，原始气体云通常会在小规模丝状网络的节点处形成，然后由于自身的引力而开始收缩。压缩会将气体加热到 1,000 开尔文以上。一些氢原子会在稠密、热的气体中配对，产生微量的分子氢。然后，氢分子将通过在与氢原子碰撞后发射红外辐射来开始冷却气体最稠密的部分。最稠密部分的温度将降至约 200 至 300 开尔文，从而降低这些区域的气体压力，并因此使其收缩成引力束缚的团块。
这种冷却在使原始系统中的普通物质与暗物质分离方面起着至关重要的作用。冷却的氢气沉降成扁平的旋转结构，该结构呈团块状和丝状，并且可能呈圆盘状。但是，由于暗物质粒子不会发射辐射或损失能量，因此它们将仍然分散在原始云中。因此，恒星形成系统将开始类似于微型星系，具有普通物质盘和暗物质晕。在圆盘内部，最稠密的气体团块将继续收缩，最终其中一些将经历失控坍塌并变成恒星。
第一批恒星形成团块比当前大多数恒星形成的分子气体云温暖得多。含有重元素的尘埃颗粒和分子将当今的云层更有效地冷却到仅约 10 开尔文的温度。气体团块在其自身引力作用下坍塌的最小质量称为金斯质量，金斯质量与气体温度的平方成正比，与气体压力的平方根成反比。第一批恒星形成系统的压力与当今分子云的压力相似。但是，由于第一批坍塌气体团块的温度几乎比分子云的温度高 30 倍，因此它们的金斯质量将几乎大 1,000 倍。
在银河系附近部分的分子云中，金斯质量大致等于太阳的质量，并且在这些云中观察到的原恒星团块的质量也大致相同。如果我们按几乎 1,000 倍的系数放大，我们可以估计第一批恒星形成团块的质量约为太阳质量的 500 到 1,000 倍。与此预测一致，上述所有计算机模拟都显示了质量为数百个太阳质量或更多质量的团块的形成。
我们小组的计算表明，第一批恒星形成团块的预测质量对假设的宇宙学条件（例如，初始密度波动的确切性质）不是很敏感。事实上，预测质量主要取决于氢分子的物理学，其次才取决于宇宙学模型或模拟技术。原因之一是分子氢无法将气体冷却到 200 开尔文以下，这使得这成为第一批恒星形成团块温度的下限。另一个原因是，当团块开始坍塌时，分子氢的冷却在高密度下变得效率低下。在这些密度下，氢分子在有时间发射红外光子之前会与其他原子碰撞；这会升高气体温度并减慢收缩速度，直到团块累积到至少几百个太阳质量为止。
第一批坍塌团块的命运是什么？它们是形成了质量同样大的恒星，还是分裂成许多较小的部分并形成了许多较小的恒星？研究小组已将他们的计算推进到团块即将形成恒星的地步，并且没有一项模拟显示出团块有任何分裂的趋势。这与我们对当今恒星形成的理解相符；观测和模拟表明，恒星形成团块的分裂通常仅限于形成双星系统（两颗恒星绕彼此运行）。在原始团块中，分裂似乎更不可能发生，因为分子氢冷却的低效率会使金斯质量保持较高水平。然而，模拟尚未确定坍塌的最终结果，并且不能排除双星系统的形成。
不同的小组对第一批恒星可能有多大质量得出了略有不同的估计。阿贝尔、布莱恩和诺曼认为，恒星的质量可能不超过太阳质量的 300 倍。我们自己的工作表明，质量高达太阳质量的 1,000 倍可能是可能的。这两种预测在不同情况下都可能是有效的：最早形成的第一批恒星的质量可能不超过太阳质量的 300 倍，而稍后从较大原星系的坍塌中形成的恒星可能达到了更高的估计值。定量预测很困难，因为存在反馈效应；当一颗大质量恒星形成时，它会产生强烈的辐射和物质外流，这些辐射和物质外流可能会吹走坍塌团块中的一些气体。但是这些效应在很大程度上取决于气体中重元素的存在，因此对于最早的恒星来说，它们应该不那么重要。因此，可以安全地得出结论，宇宙中的第一批恒星通常比太阳大得多且明亮得多。
宇宙文艺复兴 这些第一批恒星对宇宙的其余部分有什么影响？没有金属的恒星的一个重要特性是，它们的表面温度高于成分与太阳相似的恒星。在没有金属的情况下，恒星中心核能的产生效率较低，并且恒星必须更热更紧凑才能产生足够的能量来对抗引力。由于结构更紧凑，恒星的表面层也会更热。我们（布罗姆）与夏威夷大学的罗尔夫-彼得·库德里茨基和哈佛大学的亚伯拉罕·勒布合作，设计了质量在 100 到 1,000 个太阳质量之间的此类恒星的理论模型。模型显示，这些恒星的表面温度约为 100,000 开尔文——约为太阳表面温度的 17 倍。因此，宇宙中的第一道星光主要来自非常热的恒星的紫外线辐射，并且它将在这些恒星形成后不久开始加热和电离这些恒星周围的中性氢气和氦气。
我们将此事件称为宇宙文艺复兴。尽管天文学家尚无法估计宇宙中有多少气体凝结成第一批恒星，但即使只有十万分之一的气体也可能足以让这些恒星电离大部分剩余气体。一旦第一批恒星开始发光，每个恒星周围都会形成一个不断增长的电离气体泡。随着越来越多的恒星在数亿年的时间里形成，电离气体泡最终会合并，星系际气体将变得完全电离。
来自加州理工学院和斯隆数字巡天的科学家最近发现了这一电离过程最后阶段的证据。研究人员在来自大爆炸后约 9 亿年的类星体光谱中观察到强烈的紫外线吸收。结果表明，最后的中性氢气片当时正在被电离。氦比氢需要更多的能量才能电离，但如果第一批恒星像预测的那样巨大，它们也会同时电离氦。另一方面，如果第一批恒星没有那么大质量，那么氦一定是在稍后被来自类星体等来源的高能辐射电离的。未来对遥远物体的观测可能有助于确定宇宙的氦何时被电离。
如果第一批恒星确实非常巨大，那么它们的寿命也会相对较短——只有数百万年。一些恒星会在生命尽头以超新星的形式爆炸，喷射出它们通过聚变反应产生的金属。据预测，质量介于太阳质量的 100 到 250 倍之间的恒星会完全炸毁在剧烈的爆炸中，而第一批恒星中的一些最有可能具有这个范围内的质量。由于金属比氢气更有效地冷却恒星形成云并使其坍塌成恒星，因此即使少量金属的产生和分散也可能对恒星形成产生重大影响。
我们与意大利佛罗伦萨大学的安德烈亚·费拉拉合作发现，当恒星形成云中金属的丰度上升到太阳金属丰度的千分之一以上时，金属会迅速将气体冷却到宇宙背景辐射的温度。（随着宇宙膨胀，这个温度会下降，在大爆炸后 10 亿年降至 19 开尔文，今天降至 2.7 开尔文。）这种有效的冷却允许形成质量较小的恒星，也可能大大提高恒星的整体诞生率。事实上，恒星形成的步伐可能直到第一批金属产生后才加速。在这种情况下，第二代恒星可能是主要负责照亮宇宙并带来宇宙文艺复兴的恒星。
在这个活跃的恒星诞生时期开始时，宇宙背景温度会高于当今分子云中的温度（10 开尔文）。在温度降至该水平之前——这发生在在大爆炸后约 20 亿年——恒星形成过程可能仍然偏爱大质量恒星。结果，在原星系的连续合并过程中，可能会形成大量此类恒星，从而构建早期星系。当两个星系碰撞并触发星暴——恒星形成速率突然增加——时，现代宇宙中可能会发生类似的现象。此类事件现在相当罕见，但一些证据表明，它们可能会产生相对大量的巨型恒星。
令人困惑的证据 关于早期恒星形成的这个假设可能有助于解释当今宇宙的一些令人困惑的特征。一个尚未解决的问题是，星系中贫金属恒星的数量少于如果金属的产生速率与恒星形成速率成正比时应有的数量。如果早期恒星形成产生了相对更多的大质量恒星，那么这种差异可能会得到解决；当这些恒星死亡时，它们会分散大量金属，然后这些金属会融入我们现在看到的大多数低质量恒星中。
另一个令人困惑的特征是星系团中发射 X 射线的热星系际气体的高金属丰度。如果早期存在大质量恒星的快速形成期，以及相应的超新星爆发率，从而化学富集了星系际气体，那么这种观测结果最容易解释。早期高超新星爆发率的论据也与最近的证据相吻合，这些证据表明，宇宙中大多数普通物质和金属都位于弥漫的星系际介质中，而不是在星系中。为了产生这种物质分布，星系的形成一定是一个壮观的过程，涉及大质量恒星形成的强烈爆发和超新星的猛烈轰击，这些超新星将大部分气体和金属从星系中喷射出来。
质量超过太阳质量 250 倍的恒星在其生命尽头不会爆炸；相反，它们会坍塌成质量同样大的黑洞。上述几项计算机模拟预测，第一批恒星中的一些将具有如此大的质量。由于第一批恒星在宇宙中最稠密的部分形成，因此由其坍塌产生的任何黑洞都将通过连续合并而被纳入越来越大的系统中。这些黑洞中的一些可能集中在大型星系的内部，并为超大质量黑洞（比太阳大数百万倍）的增长埋下了种子，这些黑洞现在在星系核中发现。
此外，天文学家认为类星体的能量来源是气体旋涡进入大型星系中心的黑洞。如果较小的黑洞在一些第一批原星系的中心形成，那么物质吸积到黑洞中可能会产生“迷你类星体”。由于这些物体可能在第一批恒星之后不久出现，因此它们可能在早期提供了额外的光和电离辐射源。
因此，尽管某些部分仍然是推测性的，但宇宙早期历史的连贯图景正在浮现。第一批恒星和原星系的形成开始了宇宙演化的过程。许多证据表明，恒星形成、星系构建和类星体活动最剧烈的时期发生在在大爆炸后数十亿年，并且随着宇宙年龄的增长，所有这些现象都以递减的速度持续存在。随着星系组装成星系团，大多数宇宙结构构建现在已转移到更大的尺度。
在未来几年，研究人员希望更多地了解故事的早期阶段，即结构开始在最小尺度上发展的时候。由于第一批恒星很可能非常巨大且明亮，因此诸如下一代空间望远镜（计划中的哈勃太空望远镜的继任者）之类的仪器可能会探测到其中一些古老的天体。那时，天文学家也许能够直接观察到一个黑暗、单调乏味的宇宙是如何形成现在为我们提供光明和生命的壮丽天体的。