過量的氮元素為天文學家打開了搜索宇宙首批恒星的窗口

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翻譯：楊幸允

校對：牧夫校對組

編排：陳宏宇

后臺：朱宸宇

https://aasnova.org/2025/11/21/too-much-nitrogen-pops-open-the-search-for-the-universes-first-stars/

藝術家筆下早期宇宙中的恒星形成。由原始氣體形成的超大質量恒星聚合在一起，構建了宇宙最早的星系。圖片來源：阿道夫·沙勒（Adolf Schaller），空間望遠鏡研究所（STScI）

天文學家一直在尋找宇宙中第一批恒星的證據；隨著越來越遙遠的星系進入視野，這些恒星似乎終于觸手可及。

金屬過量

自2021年發(fā)射以來，韋布空間望遠鏡（JWST）為天文學家提供了窺探遙遠的過去的眼睛，幫助他們發(fā)現了許多星系；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)現的星系中，少數幾個有著獨特的化學性質。乍一看，它們中的元素似乎過于豐富，不應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。

韋布空間望遠鏡在經典的哈勃深場中探測到了數千個遙遠的星系——其中許多星系是通過這臺空間望遠鏡的強大儀器首次被觀測道德。圖片來源：歐洲航天局（ESA）/韋布望遠鏡、美國國家航天局（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。它們誕生于原始氣體（氫、氦和少量的鋰）構成的巨型氣體云中，形成時質量可以達到太陽質量的數百至數千倍。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)終結生命，將新形成的富含金屬的物質拋撒到周圍環(huán)境中。盡管這些恒星早已消亡，它們在宿主星系中留下的化學印記卻能持久地存在——而理解星族III恒星如何創(chuàng)造并擴散金屬元素，或許能為我們解讀韋布空間望遠鏡近期發(fā)現的獨特化學特征提供線索。

GS3073中的氮含量太高

研究人員發(fā)現一些星系呈現出異常高的氮氧比（N/O），這種現象無法用當今宇宙中的相似恒星來解釋。其中部分星系可被多個星族、高速旋轉的恒星、大規(guī)模爆發(fā)或球狀星團位于形成初期等原因解釋。但是，紅移值z=5.55（約大爆炸后10億年）的GS 3073星系的氮氧比異常得高，無法被上面的機制解釋。

五顆超大質量恒星的氮氧（N/O）、碳氧（C/O）和氖氧（Ne/O）豐度比。圖片中的數據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%質量的情況。其中綠色五角星是GS 3073。

為了解釋這一奇特的現象，弗吉尼亞大學、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首。通過研究質量為1000至10000太陽質量的恒星，他們追蹤了這些超大質量恒星在核燃燒各個階段中的元素產出情況。這項研究綜合考慮了恒星內部的物質混合、恒星整個生命周期中的質量損失，和最終超新星拋射物在星際介質中的混合過程。

通過這個模擬研究，南達爾等人發(fā)現質量在1000至10000個太陽質量之間的星族III恒星能夠產生在GS 3073中觀測到的元素豐度。質量更小的恒星無法產生足夠高的氮氧比，而質量更大的恒星則具有明顯偏低的氧氫比——這強烈暗示著可能形成GS 3073化學組成的超大質量恒星有質量上限與下限。

星族III恒星的證據終于出現了？

這項關于GS 3073的研究首次證實了在紅移值z=5.5的星族III恒星在其宿主星系中留下的化學印記。這種獨特的氮豐度只能在星族III恒星的演化階段中產生：這些恒星燃燒速度快到能夠產生并釋放過量的氮元素并讓其他元素的豐度保持穩(wěn)定。根據模擬結果，研究人員推測宇宙中可能存在氮豐度更高的星系，而借助韋布空間望遠鏡的進一步觀測我們或許能發(fā)現它們。

對星族III恒星的搜索研究正在蓬勃發(fā)展——近期另一項研究（比斯瓦爾等人，2025）考察了LAP1-B星系。GS 3073星系通過化學豐度找出了星族III恒星存在的證據；而關于LAP1-B星系的研究發(fā)現它的形成環(huán)境和質量分布與星族III恒星理論預測相吻合。這兩項新研究為韋伯空間望遠鏡可能帶來的豐富發(fā)現奠定了基礎，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

責任編輯：郭皓存

牧夫新媒體編輯部

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紅蜘蛛星云

借助其近紅外相機（NIRCam），NASA的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡揭示了紅蜘蛛星云中前所未見的細節(jié)，該星云背景是數千顆恒星構成的豐富景象。

圖片來源: ESA/Webb, NASA & CSA, J. H. Kastner (Rochester Institute of Technology)

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