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搜寻第一代恒星
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Ray Villard 文 Shea 编译 |
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蓝色，巨大，明亮，第一代恒星是改变了宇宙演化的独特天体。 多远算远？你又如何能知道你何时会到达那里？ 这不是谜语，是天文学家必须面对的终极前线。科学家们正站在能看到宇宙边缘处恒星和星系的门口。 但从天文学的角度来说，这些问题更确切的是：多年轻算年轻？你怎么知道看到的天体就是宇宙中的第一代天体。这两个问题是相关的，因为看得越远，我们就越深入过去。我们已经习惯于地球上近乎瞬间的通讯，但是星光却并非如此。它所携带的信息要花上数十亿年的时间才能从遥远的过去抵达我们。 虽然成本高昂，但人类目前正处于能看到自宇宙诞生以来形成的第一代天体的边缘。要做到这一点需要新一代的望远镜来穿越时间和空间。幸运的是，美国宇航局现在正在建的、强大的詹姆斯·韦布空间望远镜有望实现这些观测。  回到起点 观测天文学始于宇宙大爆炸之后约38万年。当时大爆炸的火球膨胀稀释到了光可以在空间中自由传播的程度，这些光子最终会被地球上的望远镜捕捉到。至少在电磁辐射波段我们没有这个时间点之前的任何信息。 如果说宇宙的历史是一本书，那么在过去的几十年里天文学家们已经可以确定它的封面和封底了。封面开始于137亿年前。而这其中的关键是宇宙微波背景辐射，它所对应的是宇宙变得“透明”的那一刻。宇宙微波背景辐射是大爆炸火球凝固的指纹。美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器对它温度的微小变化进行了首次精细的测量。测量到的它的偏振为第一代恒星提供了旁证，后者的紫外辐射会电离宇宙中的气体。这些恒星显然在大爆炸之后仅２亿年就已经被点亮了。 “宇宙之书”的封底是代表宇宙现在模样的近距宇宙。其中充满了宏伟而寂静的旋涡星系和椭圆星系，它们都聚集在星系团中。混在里面的还有一些小型的矮星系，它们所含有的氢会在爆发式产生恒星前闲置数十亿年。 在这两者之间，天文学家会填补上星系演化的篇章。随着我们回望过去，星系的形状变得越来越不规则。过去的小型不规则星系会通过吸积、碰撞和并合形成今天我们所见的“恒星之城”。 从星团到巨旋涡星系再到椭圆星系，星系的等级式生长方式直到在过去的15年里哈勃空间望远镜拍摄了多幅深空照片之后才得到了证实。“哈勃”发现在120多亿年前小型、特殊、零碎的恒星集团占据了宇宙的主导。 但是没有任何望远镜能看到宇宙微波背景辐射出现之后4.8亿年时的样子。这段历史是“宇宙之书”缺失的章节。目前还不清楚宇宙是如何从冷却的火球组装出结构的。 就如同人类胎儿的发育，科学家们知道宇宙必定存在一个快速变化的早期阶段，正是它设定了今天所见星系的初始条件。巧合的是，人类处于胎儿阶段的时间差不多正比于宇宙最早的几亿年。  第一屡光 那么，在大爆炸之后38万年宇宙微波背景辐射出现之后，随着宇宙继续膨胀和冷却又发生了什么呢？由精湛的计算机模型，天文学家们发展出了一套理论。这些模型针对的是暗物质，它们占据了宇宙质量的主导，但却不可见且尚未为人所知。 回望大爆炸之后38万年，宇宙中弥漫着可怕的蓝紫色辐射，而没有单个的光源。于是，如果身处当时的宇宙，你不会有深度或者距离的感觉。不过，很快大爆炸的余威就会散去。宇宙即将重装上阵。 那时的宇宙充满了在大爆炸最初的几秒钟里所产生的原初氢原子核。它们刚刚俘获了自由电子成为了中性氢。此时，宇宙已经冷却到了大约3,000开。此外，还存在大量的氦以及痕量的氘、锂和铍。 然而，那时的时空结构也并不是平缓的，上下起伏且布满了引力陷阱。在引力的作用下暗物质开始合并，小型的丝状结构生长变大，就此形成了宇宙的骨架。在两条暗物质丝状结构相交的地方，引力会变得最强。气体会流入这些陷阱并被压缩、加热。随着这些节点密度的升高，两个氢原子就会组成氢分子。 分子氢只占据了这个正在生长的物质团块中气体质量的千分之一。但氢分子可以高效地辐射热量，使得这一区域急剧降温。这个气体团块成长为了一片巨大的云，其黝黑的核心温度则下降到了300开。 这一冷却把本与暗物质混合在一起的普通重子物质——由质子和重子构成，是组成恒星、行星和我们的物质——解放了出来。这些分离出来的普通物质会在暗物质晕的中心形成一个盘——随着星系的形成这一基本结构在未来会重复出现超过1,000亿次。每一片冷暗物质云可以在直径不足银河系千分之一的区域中塞下大约100万个太阳质量。  [图片说明]：第一代恒星开始爆发时极早期宇宙的样子。版权：NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)。 第一代恒星 氢会慢慢冷却到引力逐渐占上峰，第一批稠密气体节点开始收缩。这些原初团块包含有1,000个太阳质量。被挤压的氢会升温，使得它需要大量物质的引力来进一步收缩。这个过程可以孕育出至少几百个太阳质量的天体。 最终，氢核会在引力无情地挤压下结合成氦核。这些核聚变反应所产生的大量能量会和引力相平衡，于是这个节点就此停止了坍缩。一颗恒星诞生了。 随着第一代恒星开始发光，宇宙历史翻开了新的非凡的篇章：有星时代。后大爆炸时期的新兴合成过程从此开启。自此，恒星的核合成便驱动着宇宙的化学演化。通过核聚变，恒星在其核心一个接一个地制造出了更重、更复杂的原子。 第一代恒星会发出猛烈的辐射，比我们的太阳亮上数百万倍，就像浓雾中的灯塔挑战宇宙无边的黑暗。这是一个转变的时刻，在随后的100万亿年的宇宙演化史中无出其右者，直到最后一颗红矮星熄灭的那一刻的到来。 这些被称为星族Ⅲ的恒星直径是太阳的100倍以上，在几百万年的时间里就会燃烧殆尽。在它们死去之前，一些会剧烈地膨胀收缩，把大量的重元素抛撒到太空中。作为比较，对大麦哲伦云中的超新星1987A的精确测量显示，它抛射出了0.1个太阳质量的镍，而一颗星族Ⅲ恒星能抛撒的镍是这个数字的1,000倍——达约130个太阳质量。 在质量超过几百个太阳质量的星族Ⅲ恒星中，在它们的生命接近尾声时其核心的温度可以达到100亿开。在这样的环境下，高能γ射线会和原子核碰撞，产生电子和正电子对。 这一过程会消耗恒星的大量热能，导致其压强迅速下降。于是，它的核心会骤然坍缩，随后又被加热到极端的温度。核聚变的速率就此猛增，释放巨量的热能把整颗恒星炸碎，什么都不会留下。天文学家称它为对不稳定性超新星。 小一点的星族Ⅲ恒星演化得较慢，最终会以传统超新星的形式爆发，留下10倍于太阳质量的黑洞。所有这些星族Ⅲ恒星爆炸的激波会快速地压缩周围的气体云，触发第二波恒星形成。 但是新一代的恒星是不同的。它们大质量前任的生与死都在它们身上留下的印迹。在星族Ⅲ恒星短暂的一生中，它们会向宇宙发出强烈的紫外辐射，电离气体并切断分子键。而它们壮烈的死亡则向太空播撒下了在它们的内部所合成的重元素。从那以后，这些被污染的气体云便再也无法孕育出星族Ⅲ恒星了。 重元素在这里扮演了关键的角色。由于能吸收引力收缩所产生的热能并向太空再辐射，它们能更高效地使气体云冷却。这就像一台自动运转的机器，它能把热量转移到循环制冷剂中，然后到冷却器上，后者再把热量转移入太空。这一冷却使得早期宇宙中的气体云会碎裂成更多份，因为较小的团块才具有足够的质量来对抗气体压力。结果是和太阳质量相当的恒星以及较小的气体云会在第二波恒星诞生潮中出现。 然而，这下一代的恒星会比今天我们在银河系中所看到的最年老的恒星——被称为星族Ⅱ恒星——含有更少的重元素。这些过渡型的“星族2.5”恒星看上去会非常蓝，其沸腾的表面温度可以达到50,000～80,000开，比其星族Ⅲ父辈的一半稍高。它们聚集在紧密的节点中，后者是在之后的几十亿年里通往宏伟旋涡星系和椭圆星系道路的起点。  “韦布”的地盘 天文学家要能回溯多远才能证实有关第一代恒星和星系诞生的这些理论？ 在探测早期宇宙的过程中，科学家们已经把哈勃空间望远镜推向了它的极限。在对宇宙所进行的最深入的观测中，他们已经看到一些接近30等的极端暗弱的光斑。 “哈勃”最长时间的曝光揭示出了小型的蓝色恒星星团。这里的“蓝色”指的是这些恒星所发出光的颜色，在宇宙膨胀的作用下这些光在被我们看到时已经频移成了红色。事实上，它们如此之蓝，必定极其缺少重元素，暗示了它们起源自第一代恒星。这使得它们拥有了近乎原初的特点。 在大约1亿年的时间跨度里，这些天体的颜色发生了变化。这说明如果更为深入宇宙的过去，就会看到更为剧烈的变化。在“哈勃”深场的曝光极限附近，恒星形成率出现了陡降。但“哈勃”对它们却无能为力。更早期的星系团和星系所发出的暗弱蓝光已经被宇宙膨胀拉伸到了“哈勃”视力之外的红外波段。 这就是“哈勃”的红外继任者詹姆斯·韦布空间望远镜的用武之地了。作为迄今所建造的最大、最复杂的空间天文台，“韦布”6.5米的拼接主镜可以把天文学家带回大爆炸之后2～5亿年间的暗淡而遥远的年代。 这是“韦布”独占的地盘。虽然科学家们计划建造大得多的地面望远镜，但这些仪器无法克服地球的红外天空背景。地球大气的热量会湮没原星系所发出的微弱光线。 只有“韦布”能看到大爆炸之后4.8亿年前星团所发出的暗弱星光。这些星团看上去应该极蓝、很小且不含尘埃。“韦布”的分光仪可以对其中较亮的进行分析，测量它们重元素的含量，以此来确认它们是否是猜想中的星族2.5恒星。 取决于大爆炸之后2~2.5亿年里星系胚胎有多亮，“韦布”的目标也许会稀疏地散布在整个天空中。不过好消息是，最年轻的原星系也应该是最亮的，因为它们形成于密度最高的暗物质节点，因此具有最大的质量。  目击第一代恒星 不过，星族Ⅲ恒星几乎肯定位于“韦布”可及的范围之外。天文学家预计它们的亮度大约为37等——仅为“韦布”所能看见的最暗弱天体的千分之一。即便“韦布”能看到星族Ⅲ恒星，那也会是大海捞针式地搜寻。因为分布得十分松散，在100万立方光年的体积中仅有1颗星族Ⅲ恒星。因此，在相当于今天本星系团大小的区域中只有几颗。有意思的是，这些星族Ⅲ恒星留下的黑洞应该仍在附近，可能就隐藏在类似银河系这样的星系的晕或者核球中。 如果星族Ⅲ恒星恰好和前景星系或者星系团精确地排列在一直线上，那么“韦布”就有微小的可能性探测到它们。中间的天体会通过引力放大星族Ⅲ恒星，使它看上去亮得多。或者“韦布”也许能捕捉到星族Ⅲ恒星的超新星爆发。但是如果想直接看到第一代恒星就需要一架位于小行星带或者更远的100米红外空间望远镜，那里行星际尘埃所发出的光要比地球附近的暗得多。 不过，天文学家可能在十年内就能完成恒星和星系如何形成的最终章节。这是历史性的飞跃。要知道就在20年前天文学家还只能看到宇宙距离的一半。之后“哈勃”迅速地把我们带入了幼年星系不为人知的世界。而通过把我们带回星系的婴儿时期，“韦布”将会完成这一篇章。 我们正在步入一个宇宙大变革即将发生的地方。“哈勃”的观测告诉我们，如果进一步向大爆炸回溯，我们就会看到绝对激动人心的事情发生。这将是第一代星系真正开始组建的地方，有许多令人兴奋的事情有待“韦布”去发现。 |
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[Astronomy 2011年6月]
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2001-2019火流星工作组制作
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