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Aug. 22 2014

最新天文發現:又大、又古老的太初恆星

  • 最新天文發現:又大、又古老的太初恆星

    最新天文發現:又大、又古老的太初恆星

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宇宙中最早的恆星有可能比太陽還大數百倍。

SDSS J0018-0939是一顆質量不大的第二代恆星,但是它帶有宇宙第一代恆星的化學印記。這顆星球在照片中雖然顯示為白色,但若以肉眼觀看是橙色的。
PHOTOGRAPH BY SDSS/NAOJ

撰文:Nadia Drake

編譯:胡宗香

天文學家在一顆古老的橙色恆星中,找到了可能是宇宙最初的恆星之一所留下的遺跡。這顆巨大恆星的質量可能是太陽的140倍以上。

這個發現在週四發表於《科學》期刊。數十年來的理論推測都認為最初的恆星中一定有一些的質量非常巨大,但這是天文學家首度獲得可能支持這個理論的觀測結果

數十億年前,當那顆太初恆星發生超新星爆炸時,也將內部物質拋擲到太空中,形成氣體雲,氣體雲後來又形成了這一顆橙色恆星。這顆橙色恆星現在距離地球大約1000光年。

知道這些太初恆星的質量或質量的範圍很重要,因為這有助於了解最早期的宇宙如何獲得光亮,從黑暗而充滿氣體的空間,成為充滿了初生星系與恆星的地方。

「宇宙的黑暗時代如何結束,全要看最初恆星的質量,」美國德州大學奧斯丁分校天文物理學家佛克‧布隆姆(Volker Bromm)說。他認為這次的新發現是「重要的資料點」。

古老的指紋

宇宙最早的恆星誕生於數億年前的大爆炸之後,當時,氫、氦與暗物質混合形成了充斥在太空中的稀薄粒子霧。不規則狀的團塊暗物質開始塌縮,形成了高密度的氣體雲,最後爆炸而形成恆星,產生的光芒照亮了宇宙,也為天文學家所說的宇宙「黑暗時代」畫下句點

這些最初的恆星被稱為第三星族星(population III stars),其中許多的質量都相對較小,只比太陽大幾十倍。但是天文學家相信其中有一些應該比太陽的質量大了數百倍。這些巨星由緩慢塌縮的大型氣體雲所形成,能量大到足以改變四周環境,協助形成了早期的星系與星團。

然而,大質量恆星的生命都很短促。經過數百萬年後,這些最初的巨星發生壯觀的超新星爆炸,威力之強足以摧毀星系。

這些死亡中的恆星拋擲到初生宇宙中的化學元素,在其四週形成了氣體雲,留下了現在的天文學家可以像指紋一樣判讀的模式。這些元素有助於讓氣體雲更迅速地冷卻並聚集,形成質量較小的第二代恆星,其中有些至今仍存在,科學家可以從中尋找古老的巨星印記。

怪異星球

為了尋找古老巨星的指紋,日本國立天文台的團隊在天文學者青木和光帶領下,開始尋找金屬含量低、質量小的長壽恆星。這些可能是形成於宇宙初期的小恆星,組成物質中不含有無數年來超新星爆炸的拋出物。

「一個金屬含量低的恆星清楚地記錄了單一次超新星爆炸的產物,」青木和光說。「我們可以根據這顆恆星的化學豐度,來估算導致它形成的古老恆星的質量。」

換句話說,團隊在找尋的是可能帶有其第一代恆星祖先印記的第二代恆星。

在團隊調查的恆星中,有一顆名為J0018-0939的橙色小恆星格外不同。它的碳、鎂與鈷含量都很低(這些元素在天文學中都被視為「金屬」),但是鐵的含量卻高得出奇。在正常情形下,這麼高的含鐵讀數就足以把這顆恆星排除在調查範圍外了。但是它引起了科學家的好奇。

團隊將位於夏威夷的「昴星團望遠鏡」(Subaru Telescope)對準了這顆恆星,更仔細地研究它的化學組成,並且針對其化學豐度進行了仔細的測量。結果讓大家都大開眼界。

「他們冒了個險,結果很值得。」布隆姆說。

接下來,天文團隊將這顆恆星的化學指紋,與電腦模擬的各種超新星爆炸產生並拋擲出的化學物做了比較。團隊指出,最符合這顆恆星化學組成的爆炸模型,是「不穩定對超新星」,這是一種非常壯觀的爆炸,威力可以比今天看得到的超新星大一百倍。

青木和光說,能夠產生「不穩定對超新星」並且產生那麼大量的鐵的唯一方式,就是有一顆質量至少比太陽大140倍的巨星發生爆炸。

這顆橙色小恆星的化學成分並不完全符合這類爆炸會產生的物質,而麻省理工學院的天文學者安娜‧佛里貝爾(Anna Frebel)也對分析結果有不同意見。但是她同時指出,要模擬尚未被觀察到的超新星爆炸是什麼情形,困難程度超乎想像。

「我還不太確定自己是否相信這種太初巨星曾經存在過,」佛里貝爾說。她曾經觀測到一些其他的第二代恆星,而且這些恆星與J0018-0939一樣,也帶有宇宙最早恆星的印記。但是那些印記並未顯示曾經有一些質量驚人的巨星存在。「不過,如果這次的觀測結果證明是正確的,我會非常興奮和開心。」她說。

 

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