第一代恆星不只有一種定義，古老恆星中有第一顆恆星的殘骸

作者：文/虞子期

人類在經過長時間的宇宙探索之後，對其中不少天體的演化過程都已有清晰的認知，這其中包括了它們的早期形成階段，以及後來可能會進行怎樣的演變。關於早期恆星的性質，科學家們也可以有所了解，雖然它們的這個階段已然成為過去，而這個探索的過程，就像有一台時光機器，可以將我們所有人拉回到宇宙的最早時期。在此之前，我們對宇宙中第一代恆星的探索一直處於理論存在階段，直到科學家們發現了這顆宇宙中最早恆星之一的指紋，才終於得以通過這樣的方式來研究第一批恆星。

第一代恆星的定義並不具有唯一性

不同於一般的恆星，第一代恆星還有一個名字，它叫做星族III恆星。顧名思義，其指代的便是可探測到的第一代恆星，科學家們根據它們在宇宙早期可能形成的圖像，給出了多種關於這個群體的定義。它們分別是：誕生於銀河系中的第一代恆星成員、尚未演化的恆星（比如壽命≥14Gyr的恆星）、具有原初氣體化學成分的恆星，以及金屬丰度[Fe/H]≤-6（或金屬丰度為零）的恆星。之所以科學家們會將對第一代恆星的研究視為特別重要的一項工作，是因為它可以為原始氣體星雲的演化、超大質量黑洞的形成，以及星系的早期演化內容提供重要信息。

與此同時，科學家們還可以通過對第一代恆星的測光和分光觀測資料進行分析，並從中提取更多與其相關的內容。比如，它可以為s-過程和r-過程產生的天體物理環境提供認證；為MDF的特性設定限制條件，即銀河系暈的金屬丰度分布函數的下限應該是多少；為第一代AGB恆星的核合成結果，以及早期銀河系混合過程的效率都提供了證據；在銀河系中心距離變化的測量上、星系合併產生的「亞結構」在運動學上的限制、第二代恆星重金屬元素丰度的測量等方面，第一代恆星的存在都有著特別重要的用途。

罕見古老恆星中的第一顆恆星殘骸

終於，宇宙中的第一代恆星之一SMSS J160540.18-144323.1被科學家們捕獲，它和我們相距大約35000光年，就位於銀河系的另一邊。這顆罕見的古老恆星，蘊藏著宇宙中第一顆恆星的殘骸，正是那顆已然死去的恆星，在一次爆炸中形成了一顆超新星，只不過這是一顆相當微弱的恆星。生活在早期宇宙中的它，金屬含量特別低，在它的身上我們找到了其先祖的標誌。科學家們會經常從金屬性這個角度來描述一顆恆星，我們都知道，金屬是一種比鋰、氦、氫更重的元素，並且，在宇宙的大爆炸過程中，這些元素都會產生。然而，早期恆星中卻只包含那三種更輕的元素，因此，其中更重的元素是需要連續幾代的恆星來共同創造的。

恆星SMSS J160540.18-144323.1的確表現得與眾不同，它擁有極低的金屬度，就連其中鐵的含量也幾乎為零。我們可以通過這組數字來更形象的感知這個結果，該恆星中鐵的含量，每500億個原子中只有一個原子是鐵，就好比是大型游泳池中一滴水一般的存在。如果將它和太陽的含鐵水平進行比較，那麼太陽會比它高出150萬倍左右，關於這顆「貧血」恆星的形成時間，科學家們表示很可能是在大爆炸不久後的幾億年時間裡。含鐵量如此低的恆星在我們的銀河系中被發現，表明了它是在宇宙的第一顆恆星之後出生，也就是所謂的第一代恆星。

古老的恆星是在怎樣的環境下形成

科學家們表示，恆星SMSS J160540.18-144323.1應該有一個古老的祖先，在它的祖先星球中，並沒有重元素的存在，其質量大概會比太陽系中的太陽大10倍左右，由於燃料的大量燃燒，導致了其生命周期較短。當這個祖先星球演化到生命盡頭的時候，產生了超新星一樣的爆炸，那些較重的元素便是在此次爆炸過程中所產生，只是其中的大多數都被拋入了星際空間。但是，由於該爆炸事件過程中所產生的能量並不是特別的強大，因此導致了其中大量的重元素被重新陷入了那些密集的殘餘物質之中，它們中能夠被射入太空中的比碳還重的元素微乎其微，因此才有了我們如今發現的這顆古老恆星。簡而言之，該恆星的先祖並沒有將大多數化學富集物質彈出，相反，它們又重新回到了爆炸後形成的超新星的殘餘物當中。

其實，這顆古老的恆星除了含鐵量低以外，在其他方面也具有與一般恆星不同的特性。比如，恆星SMSS J160540.18-144323.1的含碳量會比一般的恆星高出許多。至於含碳水平較高的原因，除了當初事件中的化學物質的回落以外，當然還可能包括了伴星等可能因素。然而，在對該古老恆星的觀察重，並沒有發現其氮氣增強的現象，因此，中等質量伴星導致碳丰度增加的可能性也被排除在外。同時，由於在最初的環境中並沒有金屬的存在，因此關於星際介質的污染亦被排除。

所以，這顆古老恆星的祖先在進入超新星時期後，便會通過核合成更重的元素。然而，由於該超新星的爆炸強度較弱，這些合成的較重元素並沒有被射入太空之中，而是被拋回了其祖先的超新星遺迹之中，從而導致了在恆星SMSS J160540.18-144323.1形成的時候，其周圍都沒有金屬的存在。雖然，如果我們想要在宇宙中找到第一批缺少金屬的恆星並不現實，但我們卻可以通過這顆古老恆星一樣的恆星指紋，來解鎖宇宙中第一顆恆星的關鍵信息。科學家們可以通過追蹤它們的「孩子」，從而得到第一批恆星的關鍵信息，正如我們現在所做的這樣。

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