沒有第一代恆星，就沒有今天的宇宙，它們現在在哪裡？

2020-11-12 姿勢分子knowledge

到今天，宇宙已經有大約138.2億年的歷史了。在這一百多億年的歲月裡，我們的宇宙孕育了無數的恆星。這些恆星中，最年輕的已經是宇宙第三代恆星了，比如我們的太陽。還有一些很古老的恆星，它們產生得更早，是宇宙中第二代恆星。

到了第一代恆星，情況就不一樣了。它們形成於宇宙的最早期，也就是說，我們的觀測設備需要觀測到宇宙的邊緣，才有可能看見這些恆星。但是迄今為止，我們仍然不具備如此強大的觀測能力。因此，直到今天，它們仍然只存在於理論中，天文學家們知道這些恆星真實存在，卻對它們無能為力。

到目前為止，人類觀測到的最遙遠天體叫做MACS 1149-JD，是一個距離我們大約132億光年的星系，是天文學家利用哈勃太空望遠鏡拍攝的哈勃極深場圖像中發現的。這意味著，它形成於132億年前。可是，在這裡，我們仍然無法找到第一代恆星。

那麼，宇宙中最早的恆星，到底是什麼時候誕生的呢？

（圖片說明：哈勃極深場）

科學家指出：在大爆炸後38萬年，我們的宇宙進入了一個非常特殊的時期，那就是宇宙黑暗時代。在長達幾億年的歲月裡，宇宙中所有的氫都均勻分布，並且是以原子的形式分布著。我們知道，現在的恆星形成模型認為，星際物質要首先通過靜電力出現局部的凝聚，才會引發引力的滾雪球效應，從而形成恆星或者行星。而在宇宙黑暗時代，氫都是以原子形式存在，就無法形成靜電力。

整個宇宙一片死寂，仿佛已經死亡。

但是，因為某個未知的原因，有一些氫被電離了。就像我們剛才提到的模型一樣，開始有天體形成，那就是第一代恆星。第一代恆星通過輻射和超新星爆發，促使更多恆星形成，今天的宇宙才如此豐富多彩。

理論簡單，驗證卻很難。黑暗時代的宇宙充滿了氣體雲，遮擋了可見光和紅外線，讓我們無法觀測。因此，當時的宇宙中到底發生了什麼，始終是個謎。甚至在未來短時間內，我們都很難具備對這個時期進行觀測的能力。

但是，科學家不會放棄。

來自喬治亞理工學院的相對論天體物理學中心（CfRA）的一個研究團隊通過計算機模擬過程，描述了第一代恆星形成的過程，讓我們可以一窺那個時代的秘密。

根據目前的理論，第一代恆星最早形成於大爆炸後1億年左右。當時的宇宙只有氫以及極少量的氦以及更加微量的鋰，這也是第一代恆星的原料。這些元素坍縮形成了第一代恆星，它們的質量普遍可以達到太陽的1000倍。

如此大質量的恆星都有著很短的壽命，大概只用幾百萬年，第一代恆星就能燒完所有的燃料並死亡。但是，在核聚變和超新星爆發過程中，就會有更重的元素產生，因此第二代恆星中就會有碳、氧等元素，它們又被稱作碳增豐貧金屬星。

（圖片說明：光譜是探測恆星元素含量的重要手段）

由於第一代恆星目前是不可能被觀測到的，因此這些最早形成的第二代恆星就成了宇宙中的活化石。它們內部所包含的元素種類和比例等信息，就像是它們的指紋，可以告訴我們很多信息，這些也是第一代恆星留下的痕跡。

為了完成這次模擬過程，研究人員藉助了喬治亞理工學院的PACE計算機集群，同時還利用了德克薩斯高級計算機中心的Stampede2超級計算機、美國國家科學基金會的極端科學和工程發現環境及其贊助的Frontera系統（世界上最快的學術超級計算機）、以及聖地牙哥超級計算機中心的Comet計算機集群等設備，來探索第一代宇宙的秘密。

（圖片說明：Stampede2）

正是憑藉這些計算機集群的強大計算能力，研究團隊實現了對第一代恆星的超新星爆發進行建模。結果顯示，那些貧金屬恆星通過吸收第一代恆星噴射出的物質，從而獲得了碳增的結果。

同時，他們的模擬還預言了另一種恆星，這種恆星體積相對比較小，並且金屬元素的含量極低。這些恆星今天仍然存在於我們的宇宙中，只不過人類目前還沒有發現。

CfRA的博士後研究員Gen Chiaki描述說：「我們發現，與已經觀測到的碳增恆星相比，這樣的恆星只含有很少量的鐵，甚至只有太陽的幾十億分之一。不過，我們可以看到一些氣體雲的碎片，這暗示我們：低質量恆星是在低鐵豐度體系中形成的。這樣的恆星我們現在還沒有觀測到，而我們的研究正是提供了最早期恆星形成的一種理論。」

近些年來，星系考古學正在迅速發展，成為了天文學領域的一個熱門方向。就像考古學家通過化石和各種遺蹟來推測古生物和遠古氣候環境的信息一樣，該領域的科學家們也在嘗試對古老的恆星進行觀測和研究，以求了解更早期的宇宙、星系和恆星所經歷的起源和演化過程。這些發生在一百三十多億年前的宇宙事件，仍然有太多謎題讓我們困惑不已，這也是人類孜孜不倦所追求的真知。

Chiaki介紹說：他們接下來的研究內容將不僅僅探索古老恆星的碳含量，還會將更多更重的元素考慮進來，進行更加宏大、完整、細緻的模擬。

「這項研究旨在了解碳、氧、鈣等元素的起源過程，它們是在星際介質和恆星之間往復不斷的物質循環過程中累積起來的。我們的身體和我們的行星都是由碳、氧、鈣這些元素構成的，因此我們的這項研究就至關重要，可以幫助我們了解構成我們人類的元素是如何起源的。」

人類的出現固然是宇宙的奇蹟，但宇宙從一個奇點演化到今天如此龐大、豐富的結構，也同樣令人感到不可思議。現在宇宙中除了氫以外的大部分物質，都是通過第一代恆星形成的，使它們造就了今天壯觀的宇宙。這個奇蹟到底是怎麼發生的，或許將在未來幾年被科學家破解。

相關焦點

  • 恆星考古：從第一代恆星中重現宇宙奇蹟
    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。>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。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。
  • 大爆炸後宇宙沒有恆星,那當時的光子是咋來的?現在又去了哪裡?
    ——特裡·普拉切特在一個沒有月亮、晴朗無雲的夜晚仰望天空，除了廣闊、深邃、黑暗的夜空背景，我們還能看到一些或明或暗的光點，如果有人問你這些光是從哪裡來的？你會說：它們是少數的行星，以及恆星、星系、星雲等等。但是，在遙遠的過去，在宇宙誕生後不久，在恆星形成之前，宇宙空間仍然充滿了光，這些光經過漫長宇宙膨脹，現在已經進入了微波波段，就是我們熟知的背景輻射。那麼這些光是從哪裡來的？
  • 我們從哪裡來 - 宇宙大爆炸、恆星的產生
    所以要回答我從哪裡來這個問題，我們就從宇宙的起源開始說。       大約在138億年前，我們的宇宙突然從一個奇點爆炸而來。這裡就不要問宇宙大爆炸之前是什麼、奇點在哪裡了，科學家告訴我們問這個問題沒有意義，宇宙是有奇點爆炸而來的，奇點是一個沒有時間、沒有空間的點，所以宇宙就是突然爆炸而來的，它之前就沒有時間和空間，時間和空間都是宇宙大爆炸之後才出現的。
  • 科學家發現了宇宙誕生以來的第一代恆星存在的證據
    天文學家使用ESO的超大望遠鏡發現了迄今為止在早期宇宙中最明亮的星系，並發現了強有力的證據，表明第一代恆星的例子潛伏在其中。這些巨大的、輝煌的、以前純理論的物體是歷史上第一個重元素的創造者——這些元素是我們今天圍繞在我們周圍的恆星、圍繞著它們的行星以及我們所知道的生命所必需的。新發現的「CR7」星系比目前已知的最明亮的遙遠星系要亮3倍。
  • 第一代恆星組成的星系
    這是迄今第二遙遠的塵埃恆星形成星系，僅比宇宙年輕10億歲（距今128億年）。這個誕生於128億年前的第一代大質量星系，是宇宙中最年老的天體之一。而這些明亮的大傢伙還有一個重要的身份——它們常常被認為是宇宙中第一代恆星的家園。
  • 為什麼連世界上最好的望遠鏡都看不到宇宙第一代恆星？
    只不過在觸手可及的現在，哈勃所能達到的極限決定了我們看向宇宙的距離，只不過以哈勃望遠鏡的極限仍然看不到宇宙初代恆星，為什麼？宇宙初代恆星天文學家還不清楚宇宙中第一顆恆星是什麼時候形成的，因為它們還沒有被觀測到
  • 宇宙中的那些第一代發光天體
    那麼，現在宇宙中那些我們熟知的發光天體：恆星、星系、黑洞等等，它們最早是怎麼來的呢？我們的銀河系非常古老，其中最老的恆星有一百多億歲。宇宙中最早的發光天體必然形成於更早的時期，那時的宇宙還是一個小孩兒。
  • 那是來自134億年前的星光,見證了宇宙第一代恆星的誕生!
    但是行星間的距離，就算最遠的一個，從恆星和星系的大尺度上看其實離得很近。一旦我們離開太陽附近，我們就得把距離單位從光時變成光年，光年才是宇宙的尺度，一光年就有近百萬億千米，這是一個距離單位，和米或公裡一樣，光年就是光傳播一年的距離，離太陽最近的恆星，即比鄰星距離地球有超過4光年的距離。四光年有多遠呢？
  • 如果沒有人類存在,宇宙還是今天這樣子嗎?
    宇宙中產生生命就像猴子彈名曲一樣不可思議。宇宙學家們指出，原初宇宙根本就是一團混沌，沒有任何秩序可言，我們現在所觀察到的各種常見結構——星系、恆星、原子——在大爆炸時都不存在。但從原初的混沌中竟然產生出宇宙現在的有序結構，這到底是如何產生的呢？這樣的問題甚至連科學家也不知道該怎麼回答。不過有一種理論很奇怪也很有趣，這就是人擇原理。
  • 史上最大單星爆發暗示第一代恆星死亡細節
    宇宙第一代恆星是如何死亡的？它的前身是一顆質量超過太陽百倍的超大恆星。更特別的是，SN2016iet歷經3年才徹底消失，人類有幸見證了這一特殊恆星的凋落歷程，留下豐富的數據，堪稱宇宙賜給人類的禮物。而它或許代表著包括宇宙中誕生的第一顆恆星在內的超大質量恆星的死亡方式。那麼，SN2016iet是怎樣被人類發現的？除了質量大，它還有哪些特性？記錄它的死亡過程究竟有哪些意義？
  • ​第一章 宇宙的誕生與演變
    這批恆星也被稱作第一代恆星，這些恆星可能也組成了最早的星系，爆炸後又形成了最早的黑洞。這些原始黑洞在那個充滿氣體的宇宙中可能會長的很大。恆星進入黑洞發出射線，這些射線進而會電離中性氣體。導致在大爆炸後1億5千萬年後，中性氣體再度被電離成氫的形式。由於此前氫原子的形成是第一次電離，這一次電離則被稱為再電離。隨著金屬元素的不斷產生，這種純氣體的第一代恆星不再產生。我們猜想這種恆星叫第三星族恆星。
  • 宇宙的中心在哪裡?因為它是多維空間沒有中心
    眾所周知，宇宙非常廣闊無邊。科學家對宇宙的探索遠非冰山一角。宇宙中有太多未知的東西在等待人們探索和發現。那麼宇宙的中心在哪裡呢？這是很多人都很好奇的問題。宇宙真的有一個中心嗎？宇宙的中心在哪裡說到宇宙的中心，我們都知道太陽是太陽系的中心，太陽系中的所有行星都圍繞太陽旋轉。銀河系也有一個中心，它的所有恆星圍繞銀河中心旋轉。那麼宇宙的中心在哪裡呢？事實上，宇宙也沒有中心，因為宇宙是多維空間，所以沒有中心。但也可以說，任何地方都是宇宙的中心。
  • 宇宙中的氫元素用不完嗎?為什麼恆星消亡後又會形成新的恆星?
    我們都知道，目前的太陽內核正處於最初級的由氫到氦的反應，假如太陽是第一代恆星的話，那麼它的成分就應該只有氫和氦這兩種元素，但事實卻證明太陽還包含了一些更重的元素，這就意味著，太陽中的這些較重元素來自於上一代的恆星，也就是說，太陽至少是第二代恆星。
  • 第一代超大質量黑洞是什麼樣子?科學家說是太陽質量1000倍
    它的光今天到達我們的眼睛僅是光譜的一部分，因為它是在大爆炸之後6億9000萬年形成的。現代天體物理學最大的難題是描述宇宙是如何從一個沒有行星、恆星或星系的混沌中形成今天我們所看到的豐富結構化、多樣化的宇宙。就我們所看到的，當宇宙只有幾億年的時候，我們發現了許多有趣的物體，充滿宇宙的恆星和星團；有十億顆恆星的星系照亮了宇宙；甚至宇宙在十億年前形成了具有非常大黑洞的類星體。
  • 模擬讓我們窺見恆星形成的宇宙「黑暗時代」
    根據恆星的生與死周期，天體物理學家推斷，宇宙中最初的恆星非常缺乏金屬。在大爆炸大約1億年之後，這些恆星形成於由氫氣、氦氣和微量輕金屬組成的原始湯。 這些氣體會坍縮形成比太陽質量大1000倍的恆星。 由於它們的大小，這些恆星的壽命很短，可能只存在了幾百萬年。
  • 宇宙中的恆星也存在代目之分,太陽至少排行第三代了
    世間萬物，始於虛無，終於虛無，人如此，地球如此，恆星如此，就連宇宙也是如此。宇宙誕生在138億年前，混沌之初，氫元素幾乎佔據宇宙物質總量的92%，氦元素也差不多佔了8%，只剩不到1%的物質為鋰元素。由此可見，早期宇宙的金屬含量是多麼貧乏，初代恆星便是在如此環境下形成的。
  • 這都蘊含在宇宙最古老的恆星裡
    我們的生活中充斥的大量的化學元素，但你知道它們從何而來嗎？宇宙大爆炸的3分鐘裡產生了大量的氫、一些氦和極其微量的鋰，隨後這波大爆炸「濃湯」開始冷卻，直到2億年時宇宙中才出現了第一代恆星，它們開始製造新的化學元素，最終形成了五彩斑斕的世界。
  • 宇宙大爆炸後,最初期形成的黑洞還是恆星?
    在「黑暗時代」，宇宙中只有由氫和氦構成的原初氣體，最初的恆星就是依靠這些物質形成的。恆星形成後，在其內部形成重元素，最後以超新星爆炸的形式將內部形成的重元素快速擴散到宇宙空間。一切就從這裡開始，後來才有星系的形成、行星的形成以及我們生命的誕生。毫無疑問，這些「最初的恆星」在宇宙的初期肯定存在過，但是至今通過任何觀測手段依然沒有捕捉到它們的蹤影。難道它們消失在遙遠的時代了嗎？
  • 宇宙第一束光是何時、哪裡發出的?已經找到答案,確定是嬰兒宇宙
    大家好，歡迎收看量子科普第27期，我是常常，今天和大家聊一聊關於宇宙中第一束光是何時、從哪裡發出的。第一階段是宇宙誕生至1億年，此時的宇宙剛剛經歷了大爆炸，宇宙處於熾熱與能量膨脹狀態，並沒有形成組成物質最基本的粒子，我們稱這個階段的宇宙為「暗黑時代」。
  • 奧陌陌來自哪裡?科學家有沒有發現線索!
    科學家們曾經使用望遠鏡去監測這顆行星的無線電信號，而最終的結果卻是沒有發現任何線索，因為這個行星沒有回應任何的無線電信號，它拒絕了人類對它的探索。當然了，科學家們也沒有放棄對這個行星的研究。而當奧陌陌加速的遠離太陽系的時候，就有一些國外的科學家們又重新做了一次嘗試，來徹底的了解這顆行星的背景。而經過國外的科學家們的不懈的努力吧，終於發現了這個行星的奧秘。