第一代恆星與星系何時、怎樣產生？

Science125個科學前沿問題解讀

第一代恆星與星系的形成標誌著宇宙從原初的平滑狀態到當前的成團狀態的轉變。在不久的將來, 現代的大型望遠鏡將實現對第一代星系的探測。

《科學通報》近期特邀中國科學院國家天文台毛曉春副研究員解讀。

毛曉春，中國科學院國家天文台副研究員，碩士研究生導師。2009 年畢業於中國科學院研究生院， 獲理學博士學位。 於2012 年和2015 年以訪問學者身份赴美國加州大學開展學術交流。 主要研究領域：宇宙早期的結構形成， 宇宙再電離時期的探測。

宇宙微波背景(CMB)各向異性的探測證實了當今宇宙空間中的大尺度結構起源於演化早期微小的密度漲落。 引力的不穩定性使得密度較高的區域不斷塌縮從而在愈來愈大的尺度上形成引力束縛體。 在結構形成的初期， 目前的觀測技術尚難以觸及， 科學家主要採用理論和數值模擬兩種手段來研究第一代恆星和星系的形成過程。

根據熱大爆炸宇宙學模型， 宇宙起源於約140億年前的一個極端高溫和高密度的原始火球， 並經歷了一次暴脹過程。 在紅移接近3500時， 宇宙的能量密度由輻射主導變成了物質主導。 此時的宇宙仍然高熱， 氣體處於電離狀態， 電子-光子間的湯普森散射使得物質和輻射耦合在一起。 隨著宇宙的膨脹， 當紅移約等於1100時， 溫度降低到3000 開爾文(K)以下。 這時， 電子與質子開始結合形成中性的氫原子， 電子與氘核結合形成中性的氦原子。 同時， 光子與物質粒子退耦， 開始在宇宙空間中自由傳播， 形成了微波背景輻射。 通過對CMB的精確測量， 再結合其他的觀測限制， 科學家們發現： 我們生活在一個平坦的宇宙中， 它由5%的重子物質、25%的暗物質和70%的暗能量組成。 在標準暗物質模型下， 主流觀點認為第一代恆星在紅移30左右開始形成。

第一代恆星形成的初始條件包括： (1) 均勻的宇宙背景上疊加了小的能量密度漲落; (2) 原初氣體的化學成分相對簡單， 金屬元素沒有出現; (3) 不涉及輻射反饋過程。 由此可以推測， 相較於當前宇宙中的恆星形成， 第一代恆星的形成過程會簡單許多。 小尺度上的密度擾動通過吸積和併合過程經歷了線性和非線性的引力增長， 質量從低到高的暗物質暈漸次形成。 當暗物質暈的質量超過金斯質量時， 重子物質的熱壓力不足以抵抗暗物質暈的自引力， 暈中的氣體開始塌縮。 在氣體落入暗物質引力勢井的過程中， 其密度和溫度都持續升高。 原初氣體中， 可能存在多種冷卻機制， 其中主要的一種是分子氫的形成。 氣體的有效冷卻使得塌縮過程得以繼續， 暗物質暈中的氣體變得愈加緻密。 這些氣體會積聚到暈中心形成一塊大質量的氣體雲嗎？三維動力學數值模擬的結果表明暗物質暈中的緻密氣體很可能會碎裂成多塊小的氣體雲， 其典型質量為102~103個太陽質量。 這些小塊的氣體雲仍然是引力束縛體系， 在引力不穩定性的作用下會進一步吸積和塌縮。 第一代恆星(POP III)（第一代恆星中不含有金屬元素, 故被稱為無金屬星, 即第三星族星)最終在此誕生。

儘管目前仍未探測到原初引力波, 但是當前對原初引力波漲落幅度的嚴格限制強烈暗示暴脹其實是由一個等效的宇宙學常數主導的宇宙極早期加速膨脹過程。

第一代星系的組建過程要遠複雜於第一代恆星的形成。 這主要是因為後者的反饋效應會從多方面改變原初氣體的性質和狀態。 恆星的反饋分為兩種： 輻射反饋和超新星反饋。 一旦恆星中心開始了核燃燒， 其發出的高能輻射會逐步電離周圍的中性氣體。 隨著分子氫被離解， 原初氣體中的冷卻效率明顯降低， 氣體的塌縮過程受到影響， 這會降低恆星的形成率， 延遲後續的恆星形成進程。 此外， 原初氣體溫度的升高會導致金斯質量的增加， 這意味著更大質量的POP III星將陸續出現。 在個別暗物質暈中， 分子氫被高能輻射破壞殆盡， 高溫氣體甚至會直接塌縮形成黑洞。 第一代恆星演化到末期， 可能以超新星的形式爆發。 屆時， 恆星內部核反應生成的重元素， 如碳、氧和鐵， 被噴射到原初氣體中。 超新星的爆發還會帶來巨大的動能， 爆發形成的激波能將氣體加熱到幾千K的高溫。 相較於氣體， 衝擊波對暗物質的影響要小得多， 暗物質暈可以持續增長， 質量大到足以形成第一代星系。 此時， 暗物質暈的典型質量為108個太陽質量， 氣體的典型溫度接近104K。 在第一代星系中， 重元素作為一種新的冷卻劑可以有效降低金屬增豐氣體的溫度， 使其塌縮形成貧金屬星(POP II)(第二星族星, 其金屬丰度的典型值約為103太陽丰度)。 目前普遍認為， 第一代星系中存在低質量的第二星族星。

科學家已經堅定地踏上了搜尋第一代恆星和星系的征程。 正在建設的美國詹姆斯韋伯太空望遠鏡(JWST)和地面30米紅外望遠鏡(TMT)都將直接探測第一代發光天體的輻射作為主要的科學目標。 一場關於早期結構形成的認知革命即將來臨。

毛曉春. 是什麼驅動宇宙暴脹. 科學通報, 2017, 62: 4213–4215

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