過(guò)量的氮元素為天文學(xué)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(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/

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。

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)。

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。

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。

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。

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

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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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