寻找星族Ⅲ

寻找星族Ⅲ
著：Robert Irion 译：Shea

　　不久，天文学家也许就能发现宇宙中第一代恒星的踪影了——它们可能都是些庞然大物。

　　大部分创世纪的故事都从第一缕光开始。在天文学家眼中，当耀眼的大爆炸退去之后，宇宙随即就陷入了漫长的黑暗至少1亿年。引力将气体拉拢到一起，但是仍旧没有一丝光芒。之后，在某个地方，第一颗恒星的核反应被点燃了，终于向宇宙投射出了第一缕光芒。这即宣告了被剑桥大学天文学家马丁·瑞斯（Martin Rees）称为宇宙的“黑暗时代”的终结，同时它也开启了恒星从诞生到死亡的轮回之门。

　　另外，天文学家想了许多办法来探测第一代恒星曾经生活、爆发的地方。来自遥远类星体的星光照亮了一些关键的区域，在那儿第一代恒星所发出的紫外线电离了周围的物质。另一些天文学家则把星系团当作透镜，用引力来放大宇宙中微小的部分，搜寻刚诞生的第一代星系所发出的光。

　　在十年内，下一代空间望远镜（Next Generation Space Telescope，NGST）就能清楚的观测到这些暗弱的天体。但是现在，天文学家正兴奋的揭开宇宙舞台的幕布一睹宇宙的首次演出。“人们对于第一缕光的形成始终很感兴趣，”哈佛-史密松天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics，CfA）的天文学家亚伯拉罕·卢伯（Abraham Loeb）说，“使用现在最先进的科学仪器，我们将首次有机会来回答这一问题。”

死去的巨人

　　卢伯和他的同事正在搜寻这些“星族Ⅲ”恒星，它们仅仅包含在大爆炸中所创生的氢、氦和少量的锂。“星族Ⅲ”这个名字由50年前德国天文学家沃尔特·巴德（Walter Baade）所发明的恒星分类延伸而来：星族Ⅰ，就像太阳包含丰富的比氢和氦重的元素；星族Ⅱ，相对较少且仅含有少量的重元素。天文学家称它们为贫金属星，它们都很古老，但仍旧含有源自第一代恒星的少量碳、氧、硅以及铁。

　　尽管在银河系内搜寻了许多年，但是天文学家到目前为止还没有发现一颗真正的星族Ⅲ恒星。最好的成果就是找到了一些“极端星族Ⅱ”恒星，这些恒星的铁含量仅为太阳的1/10000。为了成功找到星族Ⅲ恒星，一些天文学家开始使用硅——当然不是在恒星内部的，而是在超级计算机芯片里的。

　　加州大学的天体物理学家迈克尔·诺曼（Michael Norman）说，模拟第一代恒星形成的环境还是相对简单的。“让我感兴趣的是，这些恒星倾向于聚集成星团或是超星团，而星团的结构却是极为复杂的，”诺曼说，“从物理学的角度来讲，当你回到宇宙的早期，事情会变得相对比较简单。”

　　特别的，与现在形成恒星的重元素比起来，氢和氦要简单得多。而且没有其他恒星的干扰，就连磁场也可以忽略不计。使用“自适应筛选法”，诺曼的小组模拟了一团边长为40万光年的立方体气体云，它最终会坍缩成一个比太阳大100倍的气体球。“如果你把宇宙的大小比作地球，我们所计算的就是一个红细胞，”宾夕法尼亚大学的天体物理学家汤姆·阿贝尔（Tom Abel）说。

　　与人们的预测不同，坍缩的气体云不会碎裂成许多小恒星。相反，它会形成一颗巨大的恒星，同时以惊人的速度吸积气体。阿贝尔说，最终它会形成质量是太阳50至300倍的巨型恒星。

　　哈佛-史密松天体物理中心的天体物理学家沃尔克·布劳（Volker Bromm）以及耶鲁大学的保罗·科比（Paolo Coppi）和理查德·拉森（Richard Larson）也模拟出了相似的结果。步劳说，形成巨型恒星的原因是，为了收缩进恒星，气体云必须快速的冷却，但是早期宇宙中的分子氢无法使它们冷却到150K以下。尘埃和大分子，例如一氧化碳，则能高效的辐射热量，所以现在形成恒星的星云的温度都在10K左右。这就导致气体结的形成，并且最终形成了较小的恒星。

　　宇宙早期的巨型恒星内部疯狂的进行着核反应，在几百万年内即可耗尽所有的核燃料。同样的，它们的死亡也是非同寻常。加州大学的天体物理学家亚历山大·海格（Alexander Heger）和斯坦·武斯利（Stan Woosley）以及他们的同事预计，质量在140至260个太阳质量的原始恒星会爆发成极其明亮的超新星。由于宇宙的膨胀，这些耀眼的光芒已进入了红外波段，应该能被下一代空间望远镜或是2002年7月发射的空间红外望远镜（Space Infrared Telescope Facility）探测到。

　　这些爆炸也许会引发γ射线暴，它是迄今宇宙中威力最大的能量释放形式。“无论多远我们都能探测到这些γ射线暴，”空间望远镜研究所（Space Telescope Science Institute）的詹姆斯·霍德斯（James Rhoads）说。一个原因就是，γ射线暴以及其火球的余辉在大多数波段都比超新星来得亮，而且γ射线能很容易的穿过气体和尘埃。第二个原因则是相对论的时间扩展效应。由于爆发时原始恒星相对于地球正处于高速退行中，这样爆炸所持续的时间就会延长。所以就能相对容易的捕捉到它们了。

　　不久，也许就能观测到这些遥远的爆发了。2003年名为“斯维福特（Swift）”的γ射线卫星就将升空，预计每天将会探测到一次γ射线暴。斯维福特将会为地面望远镜提供观测γ射线余辉的预警信息。分析这些数据就能得出爆炸发生的距离，还能得出早期恒星爆发的时间以及频率。

　　尽管探测远距离爆炸的前景很吸引人，但是其他一些星族Ⅲ的搜寻者则在近距离内寻找答案。银河系晕中极端星族Ⅱ恒星仅仅是排查第一代恒星的一步。“我们相信在第二代恒星内部依然留有第一代恒星所制造的元素，”米歇根州立大学的天文学家提莫斯·皮亚斯（Timothy Beers）说。银河系中重元素丰度仅为太阳1/10000的少量恒星也许就是一次“污染事件”的见证：一颗巨型恒星在死亡时抛出了一部分的富金属气体。

　　海格和武斯利的小组预计，这一化学指纹应该富含硅并且几乎不含有比锌更中的元素。第一代恒星中不寻常的中子反应会产生比奇数元素多10至100倍的偶数元素。皮亚斯注意到，对银河系中古老恒星的光谱研究还没有使问题变得明朗，但是研究仍在继续。

遥远的窗口

　　当第一代恒星在制造重元素的同时，它们强劲的紫外线也在改变着周围的环境。紫外线会剥离大爆炸后30万年从光子和电子中形成的氢原子的电子。通过“电离”宇宙，早期恒星会改变穿越星系际空间的光的路径，因为中性氢原子会吸收年轻恒星所发出的紫外线。

　　加州理工大学的天文学家乔治·约冈夫斯基（S. George Djorgovski）认为，电离过程其实并没有发生。相反，在中性氢的海洋里，第一代恒星周围会形成独立的电离氢的岛屿。“这是一种相变，就像沸水中的水泡，”约冈夫斯基说，“它们会渐渐的变大，并且最终会结合，这就是宇宙中气体对于第一代光源所做出的反应。”

　　4个月前，一个小组报告了已知距离最远的类星体，位于电离区之外。由斯隆数字巡天（Sloan Digital Sky Survey）发现的这一类星体出现在大爆炸之后约10亿年。加州大学的天文学家罗伯特·贝克（Robert Becker）和劳伦斯利乌莫国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）的戴维斯（Davis）认为，位于类星体和我们之间的中性氢应该会完全吸收类星体的光芒。然而，透射出的光线却预示中性氢可能位于更遥远的地方。贝克承认：“我们中没有人相信最终我们能看到一个完全中性的宇宙。”

　　完全的电离要求大量的紫外辐射，最可能来自一群小型的恒星，而不是一颗巨大的恒星。然而，这些第一代的恒星群太小了——就像银河系中的球状星团——就连哈勃太空望远镜也无法探测到它们。幸运的是，自然界提供了另一方法——引力透镜。

　　由爱因斯坦的广义相对论首先预言，发自遥远天体的光会被大质量天体弯曲形成引力透镜，产生一个模糊的或是多重的像。宇宙中的星系团则是这种光学魔术的行家。星系团阿贝尔2218就是其中之一，它将遥远星系的像扭曲成魅影般的弧形。最近在这些弧形中发现了两颗红色的宝石。

　　由加州理工大学天文学家理查德·艾里斯（Richard Ellis）领导的小组用夏威夷的10米凯克望远镜发现了这两颗红宝石。光谱确认了它们来自一个小型的恒星系统，引力透镜将其放大了30倍。这些恒星预示着这一系统是炽热而年轻的。艾里斯说，这些恒星的年龄不会超过2百万年，诞生的时间则短于大爆炸后的10亿年。

　　艾里斯并没有承认这就是长期以来所寻找的星族Ⅲ恒星。“我们无法排除它们是第二代恒星的可能性，”他说，“我们正极力找寻有关的证据。”这个小组已得到了哈勃太空望远镜的使用时间来观测这些恒星。

　　即使星族Ⅲ能躲过这些仪器的眼睛，但是天文学家相信下一代空间望远镜会成功。“下一代空间望远镜是寻找这些天体的最合适仪器，”哈佛-史密松天体物理中心的卢伯说，“它将是探测宇宙早期辐射的最佳设备。”那些暗弱的红外信号——已在宇宙中漂泊了140亿年——曾经照亮了整个黑暗的宇宙。

译自 [Science 4 Jan 2002]