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翻譯:楊幸允
校對(duì):牧夫校對(duì)組
編排:陳宏宇
后臺(tái):朱宸宇
https://aasnova.org/2025/11/21/too-much-nitrogen-pops-open-the-search-for-the-universes-first-stars/
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藝術(shù)家筆下早期宇宙中的恒星形成。由原始?xì)怏w形成的超大質(zhì)量恒星聚合在一起,構(gòu)建了宇宙最早的星系。圖片來(lái)源:阿道夫·沙勒(Adolf Schaller),空間望遠(yuǎn)鏡研究所(STScI)

天文學(xué)家一直在尋找宇宙中第一批恒星的證據(jù);隨著越來(lái)越遙遠(yuǎn)的星系進(jìn)入視野,這些恒星似乎終于觸手可及。
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金屬過(guò)量
自2021年發(fā)射以來(lái),韋布空間望遠(yuǎn)鏡(JWST)為天文學(xué)家提供了窺探遙遠(yuǎn)的過(guò)去的眼睛,幫助他們發(fā)現(xiàn)了許多星系;這些星系的光揭示了宇宙早期恒星和星系形成的階段。在新發(fā)現(xiàn)的星系中,少數(shù)幾個(gè)有著獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)。乍一看,它們中的元素似乎過(guò)于豐富,不應(yīng)存在于如此早期的宇宙中。這些難以解釋的豐度異常可能是宇宙中第一批恒星存在的證據(jù)。
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韋布空間望遠(yuǎn)鏡在經(jīng)典的哈勃深場(chǎng)中探測(cè)到了數(shù)千個(gè)遙遠(yuǎn)的星系——其中許多星系是通過(guò)這臺(tái)空間望遠(yuǎn)鏡的強(qiáng)大儀器首次被觀測(cè)道德。圖片來(lái)源:歐洲航天局(ESA)/韋布望遠(yuǎn)鏡、美國(guó)國(guó)家航天局(NASA)與加拿大宇航局(CSA)、G·奧斯特林(G. ?stlin)、P·G·佩雷斯·貢薩雷斯(P. G. Perez-Gonzalez)、J·梅林德(J. Melinder)、JADES合作組、MIDIS合作組、M·扎馬尼(M. Zamani)(歐洲航天局/韋伯望遠(yuǎn)鏡)

宇宙中的第一批恒星被稱為“星族III”(Pop III)恒星。它們誕生于原始?xì)怏w(氫、氦和少量的鋰)構(gòu)成的巨型氣體云中,形成時(shí)質(zhì)量可以達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的數(shù)百至數(shù)千倍。盡管它們亮度很高,壽命卻極為短暫,最終以劇烈的超新星爆發(fā)終結(jié)生命,將新形成的富含金屬的物質(zhì)拋撒到周圍環(huán)境中。盡管這些恒星早已消亡,它們?cè)谒拗餍窍抵辛粝碌幕瘜W(xué)印記卻能持久地存在——而理解星族III恒星如何創(chuàng)造并擴(kuò)散金屬元素,或許能為我們解讀韋布空間望遠(yuǎn)鏡近期發(fā)現(xiàn)的獨(dú)特化學(xué)特征提供線索。
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GS3073中的氮含量太高
研究人員發(fā)現(xiàn)一些星系呈現(xiàn)出異常高的氮氧比(N/O),這種現(xiàn)象無(wú)法用當(dāng)今宇宙中的相似恒星來(lái)解釋。其中部分星系可被多個(gè)星族、高速旋轉(zhuǎn)的恒星、大規(guī)模爆發(fā)或球狀星團(tuán)位于形成初期等原因解釋。但是,紅移值z(mì)=5.55(約大爆炸后10億年)的GS 3073星系的氮氧比異常得高,無(wú)法被上面的機(jī)制解釋。
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五顆超大質(zhì)量恒星的氮氧(N/O)、碳氧(C/O)和氖氧(Ne/O)豐度比。圖片中的數(shù)據(jù)考慮了星系中其他恒星的影響以及這些恒星在其生命周期中損失10%質(zhì)量的情況。其中綠色五角星是GS 3073。

為了解釋這一奇特的現(xiàn)象,弗吉尼亞大學(xué)、哈佛史密松天體物理中心 (University of Virginia; Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian)的德維什·南達(dá)爾(Devesh Nandal)及其合作者利用恒星演化模型,研究了星族III恒星是否可能是罪魁禍?zhǔn)住Mㄟ^(guò)研究質(zhì)量為1000至10000太陽(yáng)質(zhì)量的恒星,他們追蹤了這些超大質(zhì)量恒星在核燃燒各個(gè)階段中的元素產(chǎn)出情況。這項(xiàng)研究綜合考慮了恒星內(nèi)部的物質(zhì)混合、恒星整個(gè)生命周期中的質(zhì)量損失,和最終超新星拋射物在星際介質(zhì)中的混合過(guò)程。
通過(guò)這個(gè)模擬研究,南達(dá)爾等人發(fā)現(xiàn)質(zhì)量在1000至10000個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之間的星族III恒星能夠產(chǎn)生在GS 3073中觀測(cè)到的元素豐度。質(zhì)量更小的恒星無(wú)法產(chǎn)生足夠高的氮氧比,而質(zhì)量更大的恒星則具有明顯偏低的氧氫比——這強(qiáng)烈暗示著可能形成GS 3073化學(xué)組成的超大質(zhì)量恒星有質(zhì)量上限與下限。
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星族III恒星的證據(jù)終于出現(xiàn)了?
這項(xiàng)關(guān)于GS 3073的研究首次證實(shí)了在紅移值z(mì)=5.5的星族III恒星在其宿主星系中留下的化學(xué)印記。這種獨(dú)特的氮豐度只能在星族III恒星的演化階段中產(chǎn)生:這些恒星燃燒速度快到能夠產(chǎn)生并釋放過(guò)量的氮元素并讓其他元素的豐度保持穩(wěn)定。根據(jù)模擬結(jié)果,研究人員推測(cè)宇宙中可能存在氮豐度更高的星系,而借助韋布空間望遠(yuǎn)鏡的進(jìn)一步觀測(cè)我們或許能發(fā)現(xiàn)它們。
對(duì)星族III恒星的搜索研究正在蓬勃發(fā)展——近期另一項(xiàng)研究(比斯瓦爾等人,2025)考察了LAP1-B星系。GS 3073星系通過(guò)化學(xué)豐度找出了星族III恒星存在的證據(jù);而關(guān)于LAP1-B星系的研究發(fā)現(xiàn)它的形成環(huán)境和質(zhì)量分布與星族III恒星理論預(yù)測(cè)相吻合。這兩項(xiàng)新研究為韋伯空間望遠(yuǎn)鏡可能帶來(lái)的豐富發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ),宇宙中的第一批恒星不再遙不可及。
論文原文:
http://doi.org/10.3847/2041-8213/ae1a63
責(zé)任編輯:郭皓存
牧夫新媒體編輯部
『天文濕刻』 牧夫出品
微信公眾號(hào):astronomycn
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紅蜘蛛星云
借助其近紅外相機(jī)(NIRCam),NASA的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡揭示了紅蜘蛛星云中前所未見的細(xì)節(jié),該星云背景是數(shù)千顆恒星構(gòu)成的豐富景象。
圖片來(lái)源: ESA/Webb, NASA & CSA, J. H. Kastner (Rochester Institute of Technology)
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