16.第一代恒星

定 义：巨大恒星的初始生成，创造了宇宙中的第一批重元素并留下了现在星系的种子。

发现历史：20世纪70年代，天文学家首次认识到对早期恒星的需要。

关键突破：2002年，科学家们展示了第一批恒星如何在暗物质结附近合并而成。

重要意义：第一代恒星对形成我们今天所知的宇宙起到了关键作用。

 

在宇宙大爆炸后大约40万年，物质和能量退耦之后，宇宙陷入了黑暗时期。此后，第一代恒星从黑暗中浮现出来——它们是名副其实的庞然大物，比今天所知的恒星要大得多，在宇宙演化中有着举足轻重的作用。

随着充满早期宇宙的高温雾气的消散，宇宙陷入了一段没有光的时期，被称为黑暗时期（dark age）。黑暗时期产生的后果之一是辐射压的突然消失，而辐射压可以阻止正常物质在重力作用下聚集在一起。当时的宇宙由氢和氦主导，还有微量的锂和铍等重元素的痕迹，这些物质现在聚集在暗物质结附近，这些暗物质结在宇宙最早期就开始形成了。计算机模型和观测证据则表明，最先创建的不是星系这类复杂的结构，而是早期的、真正的大质量恒星。

巨型太阳的时代

这些早期的大质量恒星存在的意义之一是，即使是我们今天能看到的最古老的恒星——位于球状星团和星系核心的古老的星族II恒星，其中含有的重元素也比直接从宇宙原料中形成的要多。如此看来，似乎必须有更早但短命的一代恒星，它们将重元素添加到第一批星系的原料中，这就是所谓的星族III。

20世纪70年代后期，天文学家们首次认识到似乎存在着星族III，但直到20世纪90年代，深场图像回溯到最早的星系时代，显示出那时的星系已经富含重元素，才更为确定了星族III是宇宙演化的一个单独阶段。

2002年，美国耶鲁大学的沃尔克·布罗姆（Volker Bromm）、保罗·科皮（Paolo S. Coppi）和理查德·拉森（Richard B. Larson）详细分析并发布了在大爆炸发生大约1.5亿年后这些恒星形成的条件。当时的宇宙相对温暖，气体运动速度很快，难以聚集成恒星，但是研究表明，暗物质核周围的气体结可以通过单个氢原子组合成分子来冷却，然后这些运动较慢的分子可以合并成原恒星。原恒星具有足够的引力，可以从周围吸收更多的气体，分子在原恒星变得更热时会再次分解成原子。最终，核聚变开始将氢转化为氦。但这些新生恒星中缺乏重元素，会使其生长到巨大的尺寸，同时也抑制了其核熔炉的猛烈程度。那时候的恒星可以达到数百个太阳质量——远远超过现今的任何恒星——也不会四分五裂。尽管如此，这些巨大的恒星仍以惊人的速度消耗燃料，随着它们的衰老和死亡，会将氦转化为更重的元素。

“早期的恒星可能是由被称为中性微子的假设性暗物质粒子之间的湮灭驱动的。这一过程会将暗物质转化为正常物质。”

最早的超新星

诞生了几百万年后，这些早期的巨型恒星将耗尽它们核心的燃料。由于失去了从内部支撑恒星的、向外的辐射压力，它们会因此坍缩，引发的超新星爆发比现在任何已知的都更猛烈。关于这种极端超新星爆发的精确后果仍然存在争议：一些模型表明它们会完全摧毁恒星，甚至不会留下黑洞，而另一些人则认为它们会在爆发后留下数十个太阳质量大小的黑洞。2002年，美国加州大学圣克鲁兹分校的皮耶罗·马道（Piero Madau）和英国剑桥大学的马丁·里斯（Martin Rees）指出，这样的黑洞遗迹可能会合并在一起，成为现在许多星系核心的超大质量黑洞的理想开端。无论具体过程如何，这些巨大恒星的灰飞烟灭会在宇宙空间中播撒重元素的种子，使得我们现在在最早的星系中也能看到重元素。

星族III恒星的另一个关键作用是对星系际介质的再电离。虽然氢原子的形成是退耦的关键，而退耦使宇宙陷入了黑暗时期，但是今天的星系之间的气体云由带电的氢离子主导。换句话说，气体云中的原子被再次电离了，这种电离通常需要强烈的紫外辐射源，而最早的恒星可能正好提供了这样的光辐射源。

2005年，科学家使用NASA的斯皮策空间望远镜试图测量宇宙的“红外背景辐射”——这是一种微弱的热量，来自即使是最强大的望远镜也看不见的天体。当从天空的整体图像中去掉来自这些光源（上图）的红外光时，就留下了微弱的红外信号（下图）。这种辐射可能是来自第一代恒星的光，这些光因为红移而变成不可见的红外光。

问题和解答

虽然这种巨型星族III恒星的模型帮助宇宙学家们解决了许多疑问，但问题尚未完全解决。关于气体云在如此温暖的环境中坍缩成恒星的精确机制，仍然笼罩着疑云，并不是每个人都认为可以通过分子形成的冷却提供所有的答案。2008年，由加州大学圣克鲁兹分校的道格拉斯·斯波耶（Douglas Spolyer）领导的天文学家团队提出了一个有趣的理论，即早期的恒星可能是由假设的暗物质粒子之间的湮灭驱动的，这种暗物质粒子被称为中性微子（译注：即neutralino，又译中性伴子，与中微子neutrino是不同的概念）。这一过程将暗物质转化为正常物质，有助于增加恒星核心的密度，直到聚变反应开始发生，并继续为恒星提供能量。

另一种可能性是，第一批恒星并没有大家认为的那样巨大。2011年，由NASA喷气推进实验室（JPL）的细川隆史（Takashi Hosokawa）领导的团队公布了一项新的模拟结果，该模拟显示了在宇宙早期试图形成巨型恒星会产生巨大的外流，切断恒星形成的原料供应，从而防止恒星长大到超过约35个太阳质量。这样的恒星仍然能够完成星族III所需的大部分任务，并且更有可能产生相当常规的超新星爆发来制造黑洞。

希克森致密星系群31是“捕获发展”的一个不同寻常的例子——直到最近，这群原始的不规则星系都在以某种方式抵制合并为更大、更高度演化的系统。