宇宙中第一批恒星存在被证实！中科院最新成果，数据来自韦布望远镜

　　羿阁 发自 凹非寺

　　量子位 | 公众号 QbitAI

　　还记得韦布望远镜（JWST）发布时立下的flag吗？

　　观测宇宙大爆炸后出现的第一批天体、观测星系随时间如何生长、寻找太阳系外宜居行星……

　　现在有一点它真的做到了！背后的团队竟然还来自中国科学院。

　　具体来说，研究者们对韦布望远镜传回的2000多个光谱数据进行分析，在一个遥远星系中发现了关键的氦II特征。

　　这也恰恰证实了由氢、氦作为主要元素组成的第一批恒星的存在。

　　要知道，从这一概念被提出以来，还从未有人直接观测到它的身影。

　　就连团队带头人王鑫都对Quanta Magazine感慨：“这太不真实了”。

　　目前，相关论文预印本已在Arxiv发表，正在等待Nature的同行评议。

　　第一批恒星何时出现？

　　约138亿年前宇宙大爆炸发生后，最初，物质只能以电子光子和中微子等基本粒子的形态存在。

　　40万年过去，当炽热的辐射逐渐冷却下来，中性原子不再被电离，引力开始发挥它的主导作用。

　　此时宇宙中的主要成分为气态物质，其中氢元素占据了宇宙物质总量的92%，其余为氦元素以及不到1%的锂元素，金属元素非常少。

　　在这样的环境下，当氢和氦被重力挤压，凝结成巨大的气体球，一旦气体球密度足够大，就会点燃中心处的核聚变反应，第一批恒星就这样诞生了。

　　这些恒星还有另一个名字，叫第三星族（Population III）星。

　　与之对应的是，其他我们可以观察到的所有恒星则被分为第二星族和第一星族，二者的区别是年龄不同：

　　第一星族更年轻，含有更多的重元素，而第二星族更古老，重元素含量少。

　　1984年，英国天体物理学家伯纳德 · 卡尔(Bernard Carr)在其论文中推测，第三星族星的尺寸可能非常巨大，其质量可能是太阳的几百到十万倍。

　　它们会散发蓝色的光芒，表面温度约为5万°C（太阳的表面温度仅为5500°C）。

　　这一巨大的比例也意味着第一批恒星的寿命会很短，最多只能持续几百万年。并且，它们在宇宙中的存在时间也只有几亿年，最后原始气体都会随之消散。

　　正因如此，找到它们存在的证据一直是个很大的挑战，而韦布望远镜的出现给了天文学家新的方向。

　　新契机出现

　　随着2021年12月詹姆斯韦布空间望远镜发射，许多科学家都开始用它进行观测。

　　韦布望远镜比之前的哈勃望远镜更加优化，搭配有红外线观测设备，可以使用红外波段观察宇宙。

　　对于最初形成的恒星和行星，他们往往会隐藏在吸收可见光的尘埃云后面。但这些区域发出红外光却能穿透这层笼罩，揭示其内部信息。

　　因此红外光波对观察宇宙深处非常重要。

　　即使恒星已经死亡，光学信号可能会逐渐减弱，但恒星逐渐加剧的核聚变反应，反而会散发出更加强烈的红外线信号。

　　早在1999年，科罗拉多大学博尔德分校天文学家Boulder就做出推测，当每个原子的剩余电子在能级之间跳跃时，恒星应该会产生一个泄露信号：

　　氦II发出的特定频率的光，或者缺少一个电子的氦原子。

　　曼彻斯特大学的天文学家James Trussler对此解释说:

　　氦的发射实际上并非来自恒星本身，而是由恒星热表面的高能光子撞击恒星周围的气体时产生的。

　　遵循着这一思路，来自中科院的王鑫团队对韦布望远镜传回的超过2000多个光谱数据进行分析，发现了一个在宇宙大爆炸后6.2亿年出现的遥远星系。

　　这个星系由两部分组成，其中一半具有氦II与其他元素混合的关键特征，这也代表着一个由数千颗第三星族星和其他恒星组成的混合种群。

　　尽管该星系后半部分的光谱分析尚未完成，但从它的亮度来看，其中蕴含的第三星族星数量可能更多。

　　目前该论文还处于等待同行评议状态，对于这一结果，许多科学家都表现出了谨慎的态度。

　　一位在加利福尼亚大学研究计算机模拟行星的物理学家Mike Norman提出质疑：第三星群的恒星和后来的恒星真的可以如此容易地混合在一起吗？

　　朴次茅斯大学的天体物理学家Daniel Whalen也站在中立的角度表示：

　　这很可能是宇宙中第一批恒星的“第一个直接证据”，但并不绝对，例如黑洞也能产生类似的氦II信号。

　　对此，王鑫的回应是，可以排除黑洞的可能性，因为他们没有检测到特定的氧气、氮气或电离碳特征。

　　正如这位网友所说，不管最终是否成立，这无疑都是一个非常重要的观察结果。

　　论文链接放在文末，感兴趣的小伙伴可以自取～

　　论文链接：

　　https://arxiv.org/abs/2212.04476

　　参考链接：

　　[1]https://www.quantamagazine.org/astronomers-say-they-have-spotted-the-universes-first-stars-20230130/

　　[2]https://news.ycombinator.com/item?id=34580947

　　[3]https://twitter.com/Astro_Jonny/status/1620084214334107654