羿阁 发自 凹非寺量子位 | 公众号 QbitAI
还记得韦布望远镜(JWST)发布时立下的flag吗?
观测宇宙大爆炸后出现的第一批天体、观测星系随时间如何生长、寻找太阳系外宜居行星……
现在有一点它真的做到了!背后的团队竟然还来自中国科学院。
(资料图)
具体来说,研究者们对韦布望远镜传回的2000多个光谱数据进行分析,在一个遥远星系中发现了关键的氦II特征。
这也恰恰证实了由氢、氦作为主要元素组成的第一批恒星的存在。
要知道,从这一概念被提出以来,还从未有人直接观测到它的身影。
就连团队带头人王鑫都对Quanta Magazine感慨:“这太不真实了”。
目前,相关论文预印本已在Arxiv发表,正在等待Nature的同行评议。
第一批恒星何时出现?
约138亿年前宇宙大爆炸发生后,最初,物质只能以电子光子和中微子等基本粒子的形态存在。
40万年过去,当炽热的辐射逐渐冷却下来,中性原子不再被电离,引力开始发挥它的主导作用。
此时宇宙中的主要成分为气态物质,其中氢元素占据了宇宙物质总量的92%,其余为氦元素以及不到1%的锂元素,金属元素非常少。
在这样的环境下,当氢和氦被重力挤压,凝结成巨大的气体球,一旦气体球密度足够大,就会点燃中心处的核聚变反应,第一批恒星就这样诞生了。
这些恒星还有另一个名字,叫第三星族(Population III)星。
与之对应的是,其他我们可以观察到的所有恒星则被分为第二星族和第一星族,二者的区别是年龄不同:
第一星族更年轻,含有更多的重元素,而第二星族更古老,重元素含量少。
1984年,英国天体物理学家伯纳德 · 卡尔(Bernard Carr)在其论文中推测,第三星族星的尺寸可能非常巨大,其质量可能是太阳的几百到十万倍。
它们会散发蓝色的光芒,表面温度约为5万°C(太阳的表面温度仅为5500°C)。
这一巨大的比例也意味着第一批恒星的寿命会很短,最多只能持续几百万年。并且,它们在宇宙中的存在时间也只有几亿年,最后原始气体都会随之消散。
正因如此,找到它们存在的证据一直是个很大的挑战,而韦布望远镜的出现给了天文学家新的方向。
新契机出现
随着2021年12月詹姆斯韦布空间望远镜发射,许多科学家都开始用它进行观测。
韦布望远镜比之前的哈勃望远镜更加优化,搭配有红外线观测设备,可以使用红外波段观察宇宙。
对于最初形成的恒星和行星,他们往往会隐藏在吸收可见光的尘埃云后面。但这些区域发出红外光却能穿透这层笼罩,揭示其内部信息。
因此红外光波对观察宇宙深处非常重要。
即使恒星已经死亡,光学信号可能会逐渐减弱,但恒星逐渐加剧的核聚变反应,反而会散发出更加强烈的红外线信号。
早在1999年,科罗拉多大学博尔德分校天文学家Boulder就做出推测,当每个原子的剩余电子在能级之间跳跃时,恒星应该会产生一个泄露信号:
氦II发出的特定频率的光,或者缺少一个电子的氦原子。
曼彻斯特大学的天文学家James Trussler对此解释说:
氦的发射实际上并非来自恒星本身,而是由恒星热表面的高能光子撞击恒星周围的气体时产生的。
遵循着这一思路,来自中科院的王鑫团队对韦布望远镜传回的超过2000多个光谱数据进行分析,发现了一个在宇宙大爆炸后6.2亿年出现的遥远星系。
这个星系由两部分组成,其中一半具有氦II与其他元素混合的关键特征,这也代表着一个由数千颗第三星族星和其他恒星组成的混合种群。
尽管该星系后半部分的光谱分析尚未完成,但从它的亮度来看,其中蕴含的第三星族星数量可能更多。
目前该论文还处于等待同行评议状态,对于这一结果,许多科学家都表现出了谨慎的态度。
一位在加利福尼亚大学研究计算机模拟行星的物理学家Mike Norman提出质疑:第三星群的恒星和后来的恒星真的可以如此容易地混合在一起吗?
朴次茅斯大学的天体物理学家Daniel Whalen也站在中立的角度表示:
这很可能是宇宙中第一批恒星的“第一个直接证据”,但并不绝对,例如黑洞也能产生类似的氦II信号。
对此,王鑫的回应是,可以排除黑洞的可能性,因为他们没有检测到特定的氧气、氮气或电离碳特征。
正如这位网友所说,不管最终是否成立,这无疑都是一个非常重要的观察结果。
论文链接放在文末,感兴趣的小伙伴可以自取~
论文链接:https://arxiv.org/abs/2212.04476
参考链接:[1]https://www.quantamagazine.org/astronomers-say-they-have-spotted-the-universes-first-stars-20230130/[2]https://news.ycombinator.com/item?id=34580947[3]https://twitter.com/Astro_Jonny/status/1620084214334107654
— 完 —
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