恆星考古：從第一代恆星中重現宇宙奇蹟
2020-07-03 宇宙文明科普第一代恆星一定非常壯觀。它們比今天點亮天空的大多數恆星都要亮得多、熱得多、質量也大得多。
M13 天文學家估計球狀星團M13中20%的恆星是星族II恆星
大爆炸發生後大約一億年，經歷了一段相對黑暗的時期，在無數暗物質暈的引力作用下，第一代恆星出現了。那時還沒有大型星系，除了微量的鋰之外沒有比氦更重的元素。而幾百萬年後，當它們以劇烈的超新星爆發結束生命時，釋放出了更重的元素，輔助下一代恆星的形成。這些重元素，如碳、鈣和鐵，被天文學家統稱為金屬。金屬有助於坍縮的氫氦氣體雲輻射熱量，從而使得產生質量較小、壽命較長的恆星成為可能。
恆星被天文學家以金屬元素含量多少分成三個星族，其中金屬含量最高的是星族I。第一代恆星爆發後，第二代恆星——星族II中最小的那些，仍然存在於銀河系和近鄰矮星系中。它們的外層大氣中保留了第一代恆星（星族III，沒想到吧是3~）製造的金屬的遺蹟。這為天文學家提供了一個進行「恆星考古」的機會，就像地球上的考古學家通過研究古文明遺留下來的史前器物來了解古代文化一樣，天文學家可以藉助星族II恆星上遺存的信息，重構連望遠鏡都無法回溯的130億年前的第一代恆星，看看它們如何形成、演化、如何構建後來的世界。
/ 找尋最古老的星星
星族II恆星不難尋找。通過望遠鏡穿透像M13這樣的明亮的球狀星團，就能聚集來自成千上萬顆這類古老恆星的光芒，在銀河系中心核球和暈中也有許多這樣的恆星。但它們中只有一小部分是第一代恆星死亡後立刻形成的。
更年輕的星族I們佔領著銀河系的盤，因為出生在許多代前輩恆星增豐後的的星際物質中，後浪們相對富含鐵和碳等元素。我們的太陽就是一顆星族I恆星——誕生於大爆炸後約90億年，孕育它的雲團富含重元素。今天，太陽質量的1.5%到2%由比氦重的元素組成。這個比例聽起來可能很低，但與星族II恆星相比其實已經很高了：它們的金屬含量還不到太陽的十分之一。
年紀越大的星族II恆星，金屬含量越低。恆星考古的關鍵假設是：恆星大氣中的金屬豐度可以大致表徵其年齡。如果可以被觀測到，星族III恆星應當不含比氦重的元素。
1951年，第一批貧金屬星被發現了。來自密西根大學的約瑟夫·張伯倫(Joseph Chamberlain)和勞倫斯·阿勒(Lawrence Aller)發現HD 140283和HD 19445這兩顆恆星的鐵和鈣豐度低得令人吃驚。HD 140283的鐵含量僅約太陽的1/300。
後來的巡天觀測中發現了數百顆貧金屬星。二十世紀八九十年代，HK巡天發現了第一顆鐵含量為太陽萬分之一的恆星，而天文學家通過HES發現了另一顆恆星HE1327-2326——直到不久前它都是已知鐵含量最低的恆星。它的鐵含量比太陽低50萬倍，是迄今發現的最古老的恆星之一。
最近的斯隆數位化巡天（Sloan Digital Sky Survey）和南天的名為SkyMapper巡天由發現了更多貧金屬星。儘管進行了廣泛的搜尋，目前為止我們僅找到了30顆左右的恆星鐵含量低於太陽萬分之一。「尋找這些恆星就像大海撈針，雖然像SkyMapper這樣的自動化巡天為我們提供了一個更大的放大鏡來尋找這些恆星，但這仍然是一項艱巨的工作。
/ 貧鐵恆星與第一代超新星
2014年，當SkyMapper開始試觀測時，弗雷貝爾與她的合作者發現了一顆15等紅巨星SMSS 0313-6708，它沒有可探測到的鐵吸收線，表明這顆恆星的鐵含量最多是太陽的1300萬分之一。光譜觀測還揭示了這顆古老暈星中碳、鎂和鈣的微弱吸收線。
2019年，弗雷貝爾的團隊發現了另一顆貧鐵恆星，SMSS 1605-1443。這是目前能測定鐵含量恆星中鐵豐度最低的恆星，比太陽低160萬倍。這顆恆星的鈣和鎂含量也比太陽低10萬倍。雖然這些恆星只有微量的鐵，但它們富含碳的程度令人吃驚，幾乎是鐵的10000倍。相對鐵，氧也呈現類似的過量。
這些結果讓天文學家感到驚訝，因為大質量的星族III恆星理應在壯觀的超新星爆發中死亡，並噴射出大量的鐵以及碳、氧、鎂和鈣等較輕的元素，所有這些元素都應該會進入第一批星族II恆星。
那麼鐵去哪裡了呢？一種可能性是混合回落超新星。10到20倍太陽質量的相對較小的星族III恆星，在坍縮核心內部發生的混合將一些重元素輸送到核心的外層，在爆炸中它們與碳等較輕的元素一起被噴射出去。但是，核中最重的核聚變最終產物——如鐵、鎳和鋅——會回落到黑洞或在恆星核心形成的中子星中，這就解釋了鐵的相對匱乏。
另一種解釋與脈衝-不穩定對超新星有關，主要涉及100到140個太陽質量的星族III恆星。來自加州大學聖克魯茲分校的斯坦·伍斯利（Stan Woosley）對這類超新星進行了大量的模擬，「在某種程度上，不對稱的核坍塌超新星是比混合回落超新星更自然的解釋，也是第一次觀測到這種不對稱超新星發生在早期宇宙的證據。」
/ 銀河系貧金屬星的起源
我們迄今為止發現的大多數貧金屬星都位於銀盤周圍的巨大銀暈中。今天我們幾乎可以肯定，這些130億年前的恆星早在銀河系形成之前就存在了。但它們是如何到達我們銀河系暈的？最初又在哪裡形成的呢？
像大多數科學家一樣，天文學家也喜歡給事物分類。正是本著這種精神， 沃爾特·巴德（Walter Baade）在20世紀40年代提出了星族的概念。
恆星考古學家認為，這些問題的答案就隱藏在幾十個繞轉銀河系的矮橢球星系的運動學中。這些不起眼的小星系只包含幾千到幾百萬顆恆星，這些恆星鑲嵌在一個質量更大的、將它們聚集在一起的暗物質暈中。
在過去的100億到120億年間，銀河系已經吞食了許多矮星系。然而，恆星考古學家通過分析距離我們最近的矮星系中少數最明亮恆星的高解析度光譜，結果發現，最暗的星系裡有一部分金屬含量極低低、最古老的星族II恆星。通過對比化學特徵，銀暈中的一些老年恆星正來自被吸積的矮星系。
極暗矮星系是恆星考古學家研究「星族III恆星如何產生比鐵重的第一批元素」的極佳場所。大質量恆星通過核心的聚變產生了所有比鐵輕的金屬，但在聚變停止和恆星死亡之前，它們只產生了少量比鐵稍重的元素——鈷、鎳、銅和鋅。然而，這些元素顯然大量地汙染了下一代恆星，所以它們一定是和更重的元素一起以某種方式產生的。
理論研究表明比鐵更重的元素中有一半都是通過所謂的r過程裡的中子俘獲形成的。今天，中子星併合也許是r過程元素的主要來源。但由於許多貧金屬星中這些重元素的豐度相對較低，天文學家懷疑中子星併合在恆星形成的早期並不相關，主要是因為這種併合事件的發生需要很長時間。
這種觀點在2016年發生了轉變，一個非常奇妙的小星系，改變了我們對核天體物理學領域的認識，關於恆星考古如何在天體物理學的最高層次發揮作用，這是一個完美的示例。
/ 微弱的希望
儘管大多數星族III恆星的模型都表示，這些恆星應該早就消失了，但並非所有的星族III恆星都是迅速形成和死亡的。一些質量比太陽小的星族III恆星有可能與一個質量大得多的伴星一起形成。如果是這樣的話，燃燒緩慢的小質量星族III恆星可能仍遺留在附近，儘管它們很可能非常稀有，而且可能受到來自星際介質或伴星的重元素的汙染。
現在的恆星考古技術能讓我們找到它們嗎？
如果我們有機會測量這些恆星，應該能夠將它們識別出來。這類恆星不太可能偽裝成小質量的星族II恆星，它們所經歷的化學特徵的被汙染過程是不同的。然而，對於找到它們，我們並不樂觀。
新的項目，如加拿大-法國-夏威夷望遠鏡的Pristine巡天和大型地面望遠鏡的觀測結果將可能發現更多具有有趣的化學特徵的貧金屬星，歐洲空間局的蓋亞（Gaia）計劃也將有助於將這些古老恆星的化學成分與它們在銀河系中的運動聯繫起來。
如同地球上的考古學，恆星考古學是一個具有挑戰性的領域。不過，對於夜空，我們挖掘得越深，發現就會越多。
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