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恒星考古:发现原始巨星踪迹

2014-09-25 07:21 来源:光明日报 胡德良

 

  在还原人类的历史时,我们可以借助碳-14确定准确时间,可以考察遗迹复原生活状态,可以翻阅古籍知晓来龙去脉……但宇宙的历史,靠什么复原呢?科学家的最新研究揭开了恒星考古的序幕,发现了宇宙最原始恒星的踪迹。

  科学家们通过模拟早就预测到,第一批恒星中的某些恒星是非常巨大的,质量超过太阳质量的100倍,在仅仅几百万年的时间里就经历了生存和死亡——这个时间在宇宙中相当于一眨眼的功夫。但天文学家们一直没有发现第一批恒星存在的迹象。他们只能推测,那些恒星可能是在宇宙大爆炸发生之后最初的几亿年里形成的,由氢、氦和微量的锂构成。随着那些恒星作为超新星爆炸之后,产生了第一批重元素,通过这些重元素演化出了后来的星系和恒星。

  目前,利用一项被称为“恒星考古”的技术,日本国家天文台的Wako Aoki及同事发现了这种恒星的首个迹象,这种迹象保存在其远古后代的化学成分中。第一代恒星的遗迹存在于一颗叫做SDSS J0018-0939的恒星中,其中的化学成分表明该恒星形成于一个气团,气团是由一颗非常巨大的恒星爆炸后所产生的材料构成的。不久前,这项研究成果发表在《科学》杂志上。

  第二代恒星燃烧较慢,已经存在了大约130亿年,它们中含有微量较重的元素,这表明这些恒星是由一种气体聚结而成的,以前的一颗或数颗超新星产物使这种气体丰富起来。“这就像柜橱里层的罐子中所盛的豆子,它们永远在那里呆着,但你可以随时打开。”剑桥市麻省理工学院的天体物理学家Anna Frebel说,“通过研究,科学家们能够将形成恒星的气团成分搞清,进而可以了解哪些成分以及其中有多少成分来自于第一批恒星。”

  Aoki说:“第二代恒星这种化学特性是非常引人瞩目的。”跟铁之类的较重元素相比,这颗恒星碳、镁和钙等较轻元素的丰度很低。研究论文的作者们称:对于这种特性,最有可能的解释就是一种叫做“不稳定对超新星”的特大质量恒星发生了爆炸。

  当恒星的核心温度变得非常高时,成对的光子变成成对的电子和正电子,这时就会形成不稳定对超新星。结果,外表压力下降引起恒星产生明显的塌缩,发生巨大的热核爆炸。Aoki称,这种爆炸会将恒星撕裂,产生研究小组发现的高浓度铁和少量的较轻元素。Frebel说:另一方面,较低能量的超新星会产生极少量的铁和较多较轻的元素。尽管外层被炸掉,较重的元素被吸回核心处,形成黑洞。

  Aoki说:“尽管这颗恒星的概况表明它更有可能形成于一次巨型爆炸后的残骸,而不是形成于更加传统的超新星,但是这种解释并不确切,一些有特征的元素仍然没有得到解释,或许当模拟系统改进之后这个问题就能够得到解决。”

  马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密森天体物理中心的理论天体物理学家Thomas Greif表示:这个研究成果是令人兴奋的。但是,他还警告说:这并不意味着理论家们就可以宣告胜利了。他说:“目前,这只是一颗恒星,而且这并不意味着所有这些恒星都是以这种方式爆炸的。”

  Aoki的研究小组估计,在含有微量重元素的恒星中,每500颗恒星中有1颗可能形成于巨型恒星的残骸。目前,研究人员正在观察更多恒星的化学特征,进一步搜寻其他的例证。如果这种恒星如此普遍,使用定于2018年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜,或者利用下一代的大型地面望远镜,未来的天文观测通过来自最遥远星系的远古光线,甚至能够直接观察到这种巨型恒星作为超新星死亡的现象。Aoki补充说:“如果那样的话,就可以最终证实第一代巨型恒星的存在。”

(责任编辑:王蔚)

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