宇宙探索:第一代恒星存在的首个证据

生生不息的恒星世代

我们的宇宙估计有138亿年的年龄，其中包含大约10^²⁴颗恒星。按宇宙发展的规律，这些恒星按年龄大致可分成三代。

由于最早的宇宙中唯一可用的材料是氢、氦和少量的锂，所以第一代恒星完全由这些最简单的元素组成。更重的元素需要在第一代恒星燃烧中(我们知道，恒星是靠核聚变燃烧的)才能合成，然后随超新星爆发，撒播到星际空间。第一代恒星合成的重元素和宇宙中原先就很富余的氢、氦，将作为形成第二代恒星的材料。第二代恒星制造出更多的重元素，并再次在超新星爆发中将它们撒播到星际空间。这些重元素以及富余的氢、氦又继续供第三代恒星成长，如此循环往复。我们的太阳已经属于第三代恒星。

第一代恒星，也就是最早的恒星，可能是在宇宙只有1亿年年龄的时候形成的。那时宇宙的密度比现在要大得多，所以第一代恒星被认为是些大块头，可能是太阳质量的数百倍。它们虽然超级明亮，但由于距离我们过分遥远，所以我们至今也没观察到它们。要知道它们的样子，我们只能凭推测;甚至它们是否存在过，也还只是理论上的推测，目前还没有找到证据。

奇怪的铁镁元素丰度

不过，最近科学家们可能发现了第一代恒星存在过的痕迹。

日本东京大学的天文学家在检查一颗类星体的光线时发现了这些线索。类星体是一种位于星系中心的极其明亮的天体，它的光是由落入超大质量黑洞的物质相互摩擦时发出来的。

这颗类星体叫J1342+0928，是迄今发现的最遥远的类星体之一，距离地球近300亿光年。它是在宇宙大爆炸后不到8亿年的时间里形成的。

天文学家在分析该类星体的光谱时发现，光谱中显示有大量的铁存在，其丰度是太阳上铁丰度的20倍以上。该类星体的光谱还显示具有非常低的镁元素丰度，只有铁丰度的1/10左右。

在距离我们如此遥远的过去，在被黑洞吸入的物质中，有着如此多的铁和如此少的镁，这是很不可思议的，是当前流行的超新星模型所难以解释的。

当前流行的超新星模型是建立在第二、第三代恒星基础之上的。这些恒星的质量相对较小。它们在燃烧过程中，从轻到重，一步步合成从铍到铁(中间包括镁)的重元素，然后在超新星爆发的时候，把外壳抛撒到星际空间，只留下以铁元素为主的残核(这个残核随后可能会坍塌成白矮星、中子星或黑洞)。换句话说，由于大部分铁留在残核中，而镁则全部被抛撒出去，所以在由这类超新星抛撒出去的物质，铁的丰度不会很高，铁和镁的丰度也不会如此悬殊。

另一种类型的超新星

这种悬殊的情况只在第一代恒星的超新星爆发中才成为可能。第一代恒星由于质量巨大，它们的超新星爆发也特别猛烈，在爆炸中会把自己炸得一干二净，什么都不会留下。这类超新星爆发理论上只有当恒星质量超过太阳130倍的时候才会发生。

这样一来，在这类超新星抛撒出去的物质中，就有可能铁的丰度远高于镁的丰度。如果这颗恒星附近刚好潜伏着一个超大质量黑洞，这些抛撒物质被黑洞吸入时，就可以产生天文学家现在看到的光谱。

经计算，只要那颗恒星的质量是太阳质量的300倍左右，就能完美地解释天文学家在类星体J1342+0928光谱中观察到的铁镁元素丰度比。

如果这个结论是正确的，那将是显示第一代恒星存在过的第一个证据。第一代恒星对于我们理解宇宙至关重要，因为它们是第一批产生重元素的恒星，而重元素是形成岩石质行星乃至生命的必需材料。