全球实时：500万里挑一！郭守敬望远镜世界首次发现第一代超大质量恒星遗迹

2023-06-08 22:57:30 央广网

宇宙大爆炸后产生的第一代恒星给宇宙带来第一缕曙光，是终结黑暗时代的起始点，也主导着早期宇宙演化历史。理论研究表明，第一代恒星的质量可以达到太阳质量的数百倍，但人们一直未能从观测上发现相关证据。

天文学家对恒星的“考古”又有了新进展。借助于国家重大科技基础设施郭守敬望远镜（LAMOST）强大的观测能力，中国科学院国家天文台赵刚研究员带领的国际研究团队在世界上首次发现了第一代超大质量恒星的化学遗迹，该成果证实了一颗质量高达260倍太阳质量的第一代恒星的存在，刷新了人们对第一代恒星质量分布的认知。这一研究成果6月7日在国际学术期刊《自然》上发表。那么，郭守敬望远镜为这一成果的发现提供了怎样的助力？为什么业界评价这是近十年来第一代恒星研究领域最重要的成果之一？

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“太阳的祖先”踪迹难觅

恒星“考古”如何开展？

什么是第一代恒星？其实，我们赖以生存的太阳已经是多次繁衍后形成的年轻恒星。在130多亿年前宇宙大爆炸之后，形成了太阳的祖先——第一代恒星，它们仅由氢和氦两种元素组成。之后，通过核聚变和超新星爆发，第一代恒星创造了新的元素。从此，宇宙向多彩世界迈出了第一步。研究和理解第一代恒星的性质对于我们认识恒星、星系和宇宙大尺度结构的形成至关重要。

国家天文台天体丰度与星系演化团组首席研究员、论文通讯作者赵刚：理论天体物理学家提出了一个假设，他们提出，宇宙大爆炸之后形成的第一代恒星其实并不是我们今天看到的恒星分布，而是由一些大质量和超大质量恒星组成的第一代恒星，可是我们在观测上从来没有发现。当然，因为演化的关系我们不可能看到，它的演化结束了，已经以超新星的形式爆炸。但是终究会有些遗迹，所以各国天文学家都极力去寻找这类恒星，做了几十年的努力，也进行了各种尝试。

在过去的几十年中，全世界的科学家都在苦苦追寻第一代恒星。由于第一代恒星的寿命极短，大约会在几百万年内变成超新星而终结，直接观测到的难度极大。因此，银河系考古领域一直致力于通过贫金属星，也就是金属含量低的恒星来研究第一代恒星，部分金属含量低于太阳百分之一的极贫金属星可能诞生于第一代恒星终结时形成的气体云，能够保留第一代恒星演化产物的特征，这些第二代恒星便成为揭示第一代恒星演化历史的“活化石”。

清华大学物理系教授、超新星及时域天文学观测领域专家王晓锋：超新星爆发时，将恒星演化时合成的元素以及爆发时形成的更重的元素抛射到星际空间中，影响了周围星际气体的金属含量。气体在引力的作用下重新凝聚形成的新一代恒星，其金属含量也就提高了。它们携带了父辈恒星演化及爆发形成的元素印记，这些元素印记能帮助我们追踪其父辈恒星的性质以及其爆发死亡的物理机制，这就好比我们通过查孩子的DNA能够追寻其父母的特性。

LAMOST巡天揽星

发现第一代超大质量恒星存在证据

长期以来，观测发现的超新星的前身星普遍小于100倍太阳质量。然而，理论研究表明，第一代恒星的质量应该可以达到太阳质量的数百倍。研究认为，如果140-260倍太阳质量的第一代恒星曾存在过，它们会演化成“对不稳定超新星”，但人们一直未能从观测上发现其存在的相关证据。也就是说，第一代超大质量恒星和它的演化产物只出现在理论层面。这一次，中国的研究团队结合郭守敬望远镜（LAMOST）低分辨率光谱和日本昴星团（Subaru）望远镜高分辨率光谱数据，发现了实实在在的证据——一颗化学丰度极为特殊的恒星。

国家天文台副研究员、论文第一作者邢千帆：我们发现了一颗化学丰度极为特殊的恒星，它的钠含量是所有已知恒星中最低的。同时，它也具有特别强的“奇偶效应”，“奇偶效应”就是原子序数为奇数的元素含量远低于相邻的原子序数为偶数的元素含量，它们含量的差值特别大。这种强烈的“奇偶效应”只能是由对不稳定超级星来产生，那这种对不稳定超级星就对应了140-260倍太阳质量之间的第一代恒星，首次证实了存在这种260倍太阳质量的第一代恒星。

这一成果的发现刷新了人们对第一代恒星质量分布的认知，在这个过程中，郭守敬望远镜（LAMOST）功不可没。郭守敬望远镜全称“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜”，由中国科学院国家天文台承担研制，突破了望远镜大视场与大口径难以兼得的瓶颈，是目前世界上口径最大的大视场望远镜，也是光谱获取率最高的望远镜。这颗恒星的发现，可以说是“500万里挑一”。

邢千帆：郭守敬望远镜主要是对海量的恒星光谱进行收集，形成一个数据集，它覆盖到了很多恒星，给我们的发现奠定了基础。我们用到的恒星光谱是500万条，一条一条去计算元素的丰度，逐步去筛，把最特殊的找出来。为什么几十年了大家都没有发现，因为它太稀少了。

实际上，这颗恒星也是迄今发现的最为古老的恒星。这项研究不仅从观测上证实了第一代恒星的质量可以达到太阳质量的数百倍，同时对元素起源、宇宙早期的恒星形成和星系化学演化等方面的研究将产生深远影响。从今年9月开始，郭守敬望远镜将开启第三期光谱巡天计划。未来期待能够利用郭守敬望远镜发现更多化学丰度特殊的恒星，进一步确定恒星初始质量函数，从而加深对银河系演化历史的理解。

邢千帆：因为我们现在只发现了一颗260倍太阳质量的恒星，但是质量的分布现在还不清楚。那有没有200倍或者180倍的太阳质量的恒星？我们都需要去进行观测验证。这就需要从郭守敬望远镜观测的样本里发现更多的同类型的不稳定超新星，这样就可以把140-260倍太阳质量恒星之间的质量分布做出来，这对于研究星系的形成和演化都是特别重要的。

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