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Jun. 25 2015

天文學家瞥見宇宙的第一代恆星

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  • 天文學家瞥見宇宙的第一代恆星

明亮星系是巨大、溫度極高的早期恆星的誕生地。不過這些恆星的生命短暫、很早就死亡了。

新發現的CR7星系(圖為藝術家所繪)是目前所知最明亮的星系,CR7星系可能包含宇宙中最古老的一些恆星。
PHOTOGRAPH BY ESO/M. KORNMESSER

天文學家使用地球上最高倍率的天文望遠鏡觀察可見宇宙的邊緣,偵測到大爆炸後出現的第一代恆星所發出的光。

這些龐大恆星的質量比太陽大了100倍,甚至更多,不過它們很早就死亡了。相較於太陽100億年的預估生命,這些恆星誕生後大約100萬年之後就爆炸了,爆炸噴出的元素融入了第二代恆星裡,然後又融入了包含太陽在內的第三代恆星。

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葡萄牙里斯本大學與荷蘭萊頓天文台(Leiden Observatory)的天文學家與此次論文主要作者大衛•索布拉爾David Sobral)說,「這真的滿棒的,我們終於看到理論家多年來所預測的東西了。」

索布拉爾與同事並沒有辨識出個別的恆星,而是捕捉到來自CR7星系裡的恆星共同發出的光。他們在一次尋找早期宇宙中異常明亮星系的調查中,使用夏威夷的昴星團望遠鏡(Subaru telescope)與凱克望遠鏡(Keck telescope)發現了CR7(以葡萄牙足球星羅納度Cristiano Ronaldo命名)。CR7是目前所發現在那個時期最明亮的星系,它距離我們非常遙遠,發出的光從130億年前(大爆炸後80萬年)就開始朝地球前進。關於CR7與其星系裡古老恆星的細節刊登在一篇將發表於《天文物理期刊》(Astrophysical Journal)的研究論文中。

缺少的元素

大爆炸後的宇宙中只有三種元素:氫、氦以及微量的鋰。被稱作「第三星族」星(Population III stars)的第一代恆星可能就是僅由這些元素形成的。這些恆星發生核融合後產生了較重的元素,包括碳、氧和氮,這些元素在恆星爆炸時被釋放到宇宙中。這些元素融合形成了第二代與第三代恆星,後來更形成了行星,甚至是人類。

索布拉爾與同事仔細檢視CR7時,發現來自這個星系某一區塊的光亮是由加熱的氫氣發出的。這些光很明顯地是恆星散發出來的,但他們的發現還不只於此。「我們還注意到另一件事,」索布拉爾說,「那裡有大量我們無法解釋的光。」於是他們到智利使用超大望遠鏡(Very Large Telescope)再看一次。

他們發現,多出來的光是氦氣發出的。雖然氦是恆星的基本成分,但它卻很難偵測出來,除非恆星極熱,而這也就代表恆星極大。僅憑這一點還不足以證明這些恆星屬於第一代恆星,但天文學家同時也沒有偵測到其它較重的元素。

這是再明顯不過的跡象。索布拉爾與同事主張,假如CR7星系中有些恆星不僅溫度異常高,又少了這些重元素中的至少某幾種,它們一定是第一代恆星。

「這些證據很有說服力,」曾預測第一代恆星應有樣貌的理論家之一,也是哈佛大學的天體物理學家艾維•羅埃伯(Avi Loeb)表示,「這為由大爆炸所留下的氫與氦構成的恆星,迄今最強而有力的觀測證據。」

CR7星系裡也有不是第一代恆星的星群。羅埃伯指出,這與理論上的預測相符。包括銀河系在內的現代星系被認為是由大爆炸後的幾億年開始形成的比現在小很多的原星系聚集形成的。CR7可能是這個過程早期階段的縮影,在那個階段,星系有些區域才剛形成了它們最初的恆星,而其它區域已經開始形成第二代恆星了。

在未來的幾年,新的高倍率天文望遠鏡,例如詹姆斯•韋伯太空望遠鏡與現在在智利和夏威夷建造的巨型望遠鏡,應該能讓這種觀察更易執行,並且能帶來更多令人印象深刻的發現。

「我很高興我們的預測正獲得證實,」羅埃伯說,「但如果有完全在預期外的發現,我會更高興,因為這樣我們就能學到新的東西。」

觀賞影片:三分鐘看遍億顆星。

撰文:Michael D. Lemonick透過 Twitter  Facebook關注作者

編譯:陳潔

 

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