宇宙中誕生的第一批恆星，可能被人類找到了

理論稱，第三星族星（Population III stars）為宇宙帶來了光明和希望。詹姆斯・韋伯太空望遠鏡（The James Webb Space Telescope，JWST）可能隱約觀測到了它們。

當今宇宙中最大的恆星比我們的太陽大幾百倍。而宇宙最早的恆星質量可能是太陽的十萬倍。圖片來源：《量子雜誌》/Merrill Sherman

一群天文學家正在仔細研究詹姆斯韋伯太空望遠鏡觀測到的資料，它隱約捕捉到了遙遠銀河系中電離氦發出的光，這可能表明宇宙中存在的第一代恆星已被發現。

這些尋找已久、命名隨意的「第三星族星恆星」（Population III stars）可能是由宇宙原始氣體形成的巨大氫氦球。理論家們在 20 世紀 70 年代便開始對這些首批大火球進行設想。假設它們在短暫的生命週期後會爆炸成超新星，形成更重的元素並將其噴入宇宙。這些恆星物質後來形成了重元素更豐富的第二星族恆星（ Population II stars），而後甚至形成了更豐富的第一星族恆星（Population I stars），如我們的太陽，以及行星、小行星、彗星，最終產生了生命本身。

「因為我們人類的存在，所以我們知道一定有第一代恆星，」英國曼徹斯特大學的天文學家 Rebecca Bowler 如是說。

現在，北京中科院的天文學家王鑫和他的同事認為他們已經找到了這些恆星，不過這個觀點仍需確認。「這真的恍若夢幻，」王鑫提到。該團隊的論文已於 12 月 8 日發佈在預印版網站 arXiv 上，正在等待《自然》雜誌的同行評審。

即使這次研究人員觀點有誤，但對第一批恆星更有說服力的探測可能也不遠了。JWST 正在大幅改變天文學探索，且被認為能夠在足夠遙遠的空間和久遠的時間中看到這些恆星。此外，巨大的浮動望遠鏡也早已可觀測到遙遠的星系，這些星系不尋常的亮度表明它們可能包含第三星族恆星。現在使用 JWST 觀測恆星的其他科研小組也正爭先恐後分析自己的資料。「這絕對是最熱門的問題之一，」加州大學聖地亞哥分校的物理學家 Mike Norman 說，他正通過計算機仿真模擬來研究恆星。

一項權威可靠的發現將會使天文學家得以開始探索恆星的大小和外觀、它們存在的時間，以及它們如何在原始的黑暗宇宙中突然亮起。

「這確實是在宇宙歷史上最根本的變化之一，」Bowler 表示。

第三星族恆星（Population III）

德國天文學家沃爾特・巴德 (Walter Baade) 於 1944 年將我們銀河系中的恆星分為 I 型和 II 型。後者包含由較輕元素組成的較老恆星。數十年後，第三星族恆星的觀點也被寫入了文獻。英國天體物理學家伯納德・卡爾（Bernard Carr）在 1984 年發表的一篇提高了他們知名度的論文中描述了這種原始恆星在早期宇宙中可能發揮的重要作用。「它們的熱量或爆炸可能使宇宙再電離，」卡爾和他的同事寫道，「…… 產生的重元素可能加速了前銀河系的元素富集，」從而形成了後來更富含重元素的恆星。

卡爾和他的合著者推測，由於早期宇宙中存在大量的氫氣和氦氣，形成的恆星可能已經擁有浩瀚無際的尺寸，因而應該隨處都可以測量到太陽大幾百乃至十萬倍的恆星。

北京中科院的天文學家王鑫在早期宇宙中檢測到氦 II，這可能表明宇宙中存在第三星族恆星。

那些屬於較重範疇那類的恆星，即所謂的超大質量恆星，它們表面溫度會相對較低、表現為紅色和膨脹的狀態，其大小几乎可以等同於我們整個太陽系。密度更大、大小更適中的第三星族星變體會發出滾燙的藍光，表面溫度約為 5 萬攝氏度，而相較而言，我們的太陽表面只有 5500 攝氏度。

2001 年，Norman 通過計算機仿真解釋瞭如此大的恆星是如何形成的。在目前的宇宙中，氣體雲分裂成許多小恆星。但仿真模擬表明，早期宇宙中的氣體雲比現代的氣體雲熱得多，不能像如今這樣容易凝結，因此在恆星形成時效率較低。相反，整個氣體雲會坍塌形成一顆單獨的巨星。

這些恆星巨大的質量意味著其生命週期是短暫的，最多只能持續幾百萬年（更大質量的恆星總能更快地燃燒掉可用的燃料）。因此，第三星族星在宇宙歷史上將不會存續太長時間 —— 或許只會存在數億年，直至最後一批原始氣體的消散殆盡為止。

其實還有很多問題存在大量的不確定性。這些恆星的質量究竟有多大？它們在宇宙中存在的時間最晚是何時？在早期的宇宙中，它們有多豐富？Bowler 說：「它們與我們銀河系中的恆星完全不同，真是太有趣了。」

英國曼徹斯特大學天文學家 Rebecca Bowler 研究了早期宇宙中銀河系的形成和演化。圖片來自 Anthony Holloway / 曼徹斯特大學

因為它們距離太遠，存在時間太短，所以尋找與它們相關的證據一直是一個挑戰。然而在 1999 年，科羅拉多大學博爾德分校的天文學家預測，恆星應該會產生一個會洩露存在跡象的信號：當每個原子的剩餘電子在能級之間躍遷時，氦 II 或缺少電子的氦原子發出的光會具有特定的頻率。曼徹斯特大學的天文學家 James Trussler 解釋說：氦發出的光實際上並非來自恆星本身，相反，它是恆星熱表面的高能光子衝入恆星周圍的氣體時產生的。

日內瓦大學的 Daniel Schaerer 在 2002 年對這一觀點進行了擴展，他說：「這是一個相對簡單的預測」，對這些證據的搜尋正式開始了。

尋找第一代恆星

2015 年，Schaerer 和他的同事們認為他們可能尋找到了什麼。他們在一個遙遠的原始星系中發現了一個氦 II 信號的可能線索，而這個星系可能與一群第三星族星有關。從大爆炸 8 億年後的樣子來看，這個星系似乎包含了宇宙中第一代恆星的第一個證據。

Bowler 後來主導的研究對這些發現提出了質疑。她說：「我們從源頭上發現了有氧元素的證據。這排除了純粹的第三星族星預測的可能性。」隨後，一個獨立的小組未能探測到最早的團隊發現的氦 II 線索。「它不在那裡，」Bowler 說。

其他人的探尋境況會好一些嗎？

天文學家將他們的希望寄託在 2021 年 12 月裝載好的詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）上。這架望遠鏡擁有巨大的鏡體和對紅外光前所未有的靈敏度，可以比之前的任何望遠鏡都更容易地觀察早期宇宙。因為光傳播需要時間，所以儘管它們出現在很久以前，望遠鏡仍然可以看到遙遠的微弱物體。此外，望遠鏡還可以進行光譜分析，將光分解成其組成波長，這使它能夠尋找第三星族星的氦 II 標誌。

王鑫的團隊分析了 JWST 2000 多個觀測目標的光譜資料。其中一個是大爆炸後 6.2 億年才出現的遙遠星系。根據研究人員的說法，這個星系被分成兩部分。他們的分析表明，其中一半星系似乎含有氦 II 的關鍵信號，其中還混合著其它元素髮出的光，這可能意味著它們是數千顆第三星族星和其他恆星的混合星族。此外，對星系另一半部分的光譜分析尚未完成，但它的亮度暗示著這是一個更富第三星族星的環境。

「我們正在努力申請使用 JWST 下一個週期的觀測時間來覆蓋觀測整個星系，以便有機會來確認這些天體，」王鑫如是說。

根據 Norman 的說法，這個星系是一個「令人頭疼的地方」。他說，如果氦 II 的結果經得起推敲，「那麼一種可能就是這個星系就是第三星族星群。」然而，他不確定第三星族星和後來的恆星是否能如此輕易地混合在一起。