最近，中国科学家有个重大发现。中国科学院国家天文台领衔的一个国际研究团队，发现有一颗小质量恒星的父辈是一颗质量高达260倍太阳质量的第一代超大质量恒星，这颗小质量恒星由此成为迄今已知最为古老的恒星，刷新了人们对于第一代恒星质量分布的认知。有趣的是，这颗恒星就在我们自己家门口——在银河系里面。这一成果在2023年6月7日发表于国际科学期刊《自然》。
为了理解这个发现的意义，我们首先要解释一下恒星演化史。宇宙大爆炸以后，一开始是没有天体的，宇宙处于所谓的“黑暗时代”。大概在大爆炸之后的1至2亿年里，第一代恒星形成了，形成它们的原材料主要是宇宙原初核合成产生的轻元素——大量的氢、氦与极少量的锂。天文学里有个很特殊的词，叫做“金属”。我们平常会认为碳、氮、氧等很多元素都是非金属，但天文学中却把它们都称为金属。实际上，天文学的定义是，只要是比氢和氦重的，都叫做金属！这是因为，宇宙中大部分的物质是氢，其次是氦，比这俩重的几乎都是通过核聚变产生的，含量就少得多了。因此在天文学家看来，不管你是锂还是碳还是氧，都一锅炖了吧，你们都是少数派，都是通过一些少见的过程产生的，都叫做金属。好，我们前面说的形成第一代恒星的原材料，就是由轻元素构成的贫金属气体云团。这样的气体云团如果要形成恒星，就得是块头非常大、质量非常大，使得引力足以克服热压力，从而塌缩形成第一代恒星（见图1）。这样一来，第一代恒星往往质量很大，有的甚至高达几百倍太阳质量。这比它们后代恒星的质量要大很多，后者的质量最大也就是几十倍太阳质量。恒星的寿命跟质量，是什么关系？外行很可能以为，质量越大，燃料就越多，烧得就可以越久。但实际正相反，质量越大，寿命越短！这是因为质量越大，核聚变就越剧烈，单位时间内消耗的质量比总质量本身增长得更快，所以结果是寿命变得更短。也就是说，质量越小，苟得越久。你可以选择作为大质量恒星辉煌灿烂地度过短暂的一生，也可以选择作为小质量恒星闷声发大财地苟到宇宙尽头。 第一代恒星的质量非常巨大，因此它们的寿命非常短，往往只有数百万年，远远短于太阳的寿命约100亿年。跟能苟上万亿年的红矮星相比，更是倏忽而逝。图1 原初气体云团形成第一代恒星的示意图（图源：美国宇航局）第一代恒星的质量如果在100倍太阳质量以下，到最后核聚变反应停止的时候，星体会塌缩，产生超新星爆炸，中心的恒星核可能塌缩形成黑洞。爆炸过程会把核聚变形成的重元素抛散到星际空间里，这就是星际介质中的元素增丰过程（见图2）。由于第一代恒星的寿命往往非常短，很难发现，所以到目前为止，人们还没有从观测上直接发现它们的存在。
图2 第一代恒星的超新星爆炸及其元素增丰（图源：国家天文台）
有意思的是，第一代恒星里有一个比较特别的子类，它们的质量可以高达140到260倍太阳质量，它们可以产生“对不稳定超新星”（pair-instability supernova）。这个名称是什么意思呢？“对”指的是什么东西的对呢？理论研究认为，这种超大质量第一代恒星内部的核聚反应会极其剧烈，产生的光子能量会非常高，光子之间相互作用可以形成正负电子对。这样就会导致恒星内部的辐射压迅猛减小，导致整个星体不平衡，猛烈收缩，从而释放出引力势能，急剧加热星体使其温度迅猛升高。这个过程可以非常剧烈，最终就会导致极其猛烈的超新星爆炸，这种类型的超新星就叫做对不稳定超新星（见图3）。所以我们可以明白，这个名称的意思是，“对”导致“不稳定”的“超新星”，“对”指的是正负电子对。 对不稳定超新星爆炸是如此得剧烈，甚至可以把整个星体的物质基本上全部都炸光、抛光了，中心就不会形成黑洞，而是会留下一颗小质量的第二代恒星。遗憾的是，到目前为止，人们还没有观测到对不稳定超新星爆炸，这是由于这种超大质量第一代恒星比一般的第一代恒星质量更大，寿命更短，可能就只能存活两三百万年，所以更难从观测上来发现它们。图3 对不稳定超新星爆炸的假想图（图源：美国宇航局）
幸运的是，有理论研究表明，对不稳定超新星爆炸以后可以留下后代，也就是第二代恒星，其质量可以很小，比如小于太阳质量。这就意味着它们寿命很长，甚至可以与宇宙“同寿”。 由于形成第一代恒星的气体云团是极端贫金属的，导致对不稳定超新星爆炸后形成的第二代恒星往往都是极端贫金属星；更为奇特的是，它们会具有特殊的化学印迹，即所谓的“奇偶效应”——在它们的极少量的金属元素里，奇数号元素会比相邻的偶数号元素的含量明显得低。这就意味着，如果我们发现了具有“奇偶效应”的第二代小质量极端贫金属星，就可以通过研究它们遗传自父辈的这个“DNA”，了解它们的父辈对不稳定超新星与第一代恒星的性质。但以前这只是个设想，由于之前已知的小质量贫金属星的样本相当有限，人们并没有在其中发现具有“奇偶效应”的恒星。很显然，要找到这种特殊的贫金属星是极具挑战的，这样的恒星“考古”是一个非常艰巨的任务。正所谓“工欲善其事，必先利其器”，研究人员需要找到好的设备来高效率地进行恒星“考古”。 一番考量下来，研究人员发现了一个最适合做这件事的设备，它就是中国的大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope），英文简称LAMOST，中文冠名为郭守敬望远镜。它的主镜口径4米，焦面上放置了4000根光纤，可以在一次观测中分别对准4000个天体，从而同时拍摄其光谱。这里使用的光纤定位系统是由中国科学技术大学的褚家如老师等人研制的，该技术后来被使用于多个大型望远镜上（见图4）。郭守敬望远镜具有强大的光谱巡天能力，在它高效开展光谱巡天十多年后，它就获得并发布了超过2000万条恒星光谱，使其一举成为国际上最大的恒星光谱库。图4 郭守敬望远镜的全景图（左上）、主镜（左下）与光纤定位系统（右）（图源：国家天文台）基于郭守敬望远镜的海量恒星光谱数据，研究人员开展了国际上最大规模的贫金属星搜寻项目，发现了上万颗贫金属星，并对其中具有极端性质的一小批源，利用口径为8.2米的昴星团望远镜进行了光谱精测，更为精确地测定出它们的元素组成，由此发现了迄今已知最为古老的恒星LAMOST J1010+2358。你可能想问，光谱是什么意思？其实学过原子物理的人都知道，光谱就是样品对各种波段光的选择性吸收或发射。LAMOST最擅长的就是测这个。图5展示了典型的恒星光谱的样子。光谱里的暗线是恒星大气吸收核区产生的辐射而形成的吸收线，每条暗线对应着一个特定元素的特定跃迁，所以我们通过研究恒星光谱就可以推知恒星的金属元素组成。图6显示了一个相当大的贫金属星样本里恒星的金属丰度分布，而我们的主角——贫金属星LAMOST J1010+2358则显得非常“不合群”，它的钠元素、镁元素、钴元素的含量都远低于已知的其他所有贫金属星，另外它的钡元素含量也几乎是最低的。所以它可以说是贫金属星中的贫金属星，一贫如洗，丐帮帮主。图6 贫金属星的金属丰度分布（红色记号为LAMOST J1010+2358）（图源：Xing et al. 2023, Nature）LAMOST J1010+2358还具有非常特殊且重要的一个特征：它的金属丰度分布具有“奇偶效应”（见图7）！这正是我们要寻找的关键特征。图7中红色的数据点显示，它奇数号元素的含量明显低于相邻的偶数号元素的含量，和理论预期结果如出一辙。 由于数据质量很好，研究人员可以做细致的模型拟合：（1）首先假设它是第一代核塌缩超新星的后代，再假设超新星的前身星质量是10倍太阳质量，则理论预期的元素分布跟观测到的数据点完全无法匹配；（2）仍然考虑上一种情形，只不过把前身星的质量提高至85倍太阳质量，可以看到，理论预期和实测数据的吻合度虽然有所提高，但是差别还是很大；（3）而如果考虑一个具有260倍太阳质量的对不稳定超新星的情形，则理论预期与观测数据完美地匹配了，观测到的“奇偶效应”得到了完美的解释。这样的分析表明，极端贫金属星LAMOST J1010+2358起源于一颗质量高达260倍太阳质量的第一代恒星的对不稳定超新星！图7 观测到的LAMOST J1010+2358金属丰度分布与三种不同理论模型预期结果的对比（图源：Xing et al. 2023, Nature）
结合别的观测数据，研究人员可以更进一步了解LAMOST J1010+2358的性质。和银河系里绝大多数的恒星不一样，它并不处于银河系的银盘里，而是处于远离银盘的银晕里。它距离我们大约3327光年，跟银河系的半径62000光年相比，可以说它离我们是相当近的，简直就在我们家门口。作为第二代恒星的“杰出代表”，它的质量只有0.5倍太阳质量，因而它的寿命很长，从诞生之日起就一直存活到现在，被研究人员观测到。它的年龄应该已经达到了136到137亿年，换句话说，它在宇宙大爆炸后才1到2亿年的时候就已经存在了——这个时期是第一代恒星出现的大致时间。而它的260倍太阳质量的父辈的寿命仅仅只有两三百万年，跟它自己的年龄相比可以忽略不计，因而这颗LAMOST J1010+2358成了现今已知的最古老恒星！大家或许有些疑惑，通常不是说越古老的天体离我们越远吗？这颗最古老的恒星怎么就在银河系里呢？难道我们如此幸运，银河系其实是宇宙的中心？
事实上，这是对“越古老的天体离我们越远”的误解。这个说法的意思是，对于那些离我们很远的天体，我们看到的其实是它们在很早以前的样子，因为光的传播是需要时间的。比如说，100亿光年外的天体，我们现在看到的就是它们100亿年前的样子。至于它们后来如何演化，甚至当前是否依然存在，其实我们是无从得知的，因为它们后来发出的光还来不及传到我们这里。
也就是说，古老的天体在哪里都可能存在。而LAMOST J1010+2358碰巧就“藏”在我们的“后院”里，这次被研究人员发现了它其实非常古老的年龄秘密；不同于那些遥远的古老天体，我们看到的是它“当前”的样子，因为它离我们算是相当“近”了。而且从观测难度上看，肯定也是离得越近的越容易观测到，事实上LAMOST的观测重点就是银河系里的恒星光谱巡天。所以，最先找到一个银河系内的最古老恒星，其实是非常自然的，就好比醉汉在灯光下找钥匙，不是因为钥匙一定在这里，而是因为只有在这里能找。
最古老恒星LAMOST J1010+2358的发现，首次给出了第一代超大质量恒星以及它的演化产物对不稳定超新星存在的观测证据，表明第一代恒星的质量确实可以高达几百倍太阳质量，远远比后代恒星质量大。这个发现也揭示出对不稳定超新星在宇宙早期的化学元素增丰过程里贡献了大量的金属元素，有助于我们进一步理解第一代恒星的初始质量如何分布、重元素如何起源以及宇宙早期恒星形成与星系化学演化的具体物理过程等一系列很重要的科学问题。
在将来的研究中，研究人员希望能发现更多和最古老恒星LAMOST J1010+235类似的恒星，从而深化我们对于上述科学问题的理解！
参考文献：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06028-1，A metal-poor star with abundances from a pair-instability supernova
■ 扩展阅读
■ 作者简介
中国科学技术大学物理学院天文学系教授
