對于天文學(xué)家、天體物理學(xué)家和宇宙學(xué)家而言，觀測我們宇宙中形成的第一顆恒星很難的。

一方面，是因為我們現(xiàn)有的望遠(yuǎn)鏡和天文臺受限制，使我們只能看到這么遠(yuǎn)。迄今為止，我們觀測到的最遙遠(yuǎn)的天體MACS 1149-JD是在哈勃極端深空視場（the Hubble eXtreme Deep Field，簡稱XDF）圖像中發(fā)現(xiàn)的星系，它距離地球132億光年。另一方面，直到大爆炸10億年后，宇宙還正在經(jīng)歷著宇宙學(xué)家所說的“黑暗時代”，即宇宙充滿了能夠遮蔽可見光和紅外線的氣體云。

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幸運的是，一個來自于佐治亞理工學(xué)院相對論天體物理中心的研究團隊最近進行了模擬，展示出了第一顆恒星的形成樣子。飽含他們的發(fā)現(xiàn)的研究文章發(fā)表在了《皇家天文學(xué)會月報》（《皇家天文學(xué)會月報》（MNRAS），天文學(xué)頂級期刊）上。該研究的兩位領(lǐng)導(dǎo)人Gen Chiaki和John Wise分別是CfRA的博士后研究員和副教授。他們的研究人員來自羅馬大學(xué)、羅馬天文臺、國家天體物理學(xué)研究所(INAF)和國家核子物理學(xué)研究所(INFN)。

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根據(jù)恒星的生死周期，天體物理學(xué)家推斷，宇宙中最初的恒星非常缺乏金屬。這些最初的恒星是在大爆炸大約1億年之后，由氫氣、氦氣和微量輕金屬煲制成的原始湯坍縮形成的，要比太陽質(zhì)量大1000倍。

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由于它們的大小，這些恒星的壽命很短，可能只存在了幾百萬年。在這段時間里，它們的核熔爐里有新的重元素，這些元素在恒星坍縮和超新星爆炸時被分散開來。因此，下一代恒星將會有更重的元素含有碳，從而被指定為碳增強金屬貧星(Carbon-Enhanced Metal-Poor stars，簡稱CEMP)。

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對于天文學(xué)家來說，現(xiàn)在也許可見的恒星組成是由第一代恒星中的重元素核合成（融合）的結(jié)果。通過研究貧金屬恒星背后的形成機制，科學(xué)家們可以推測一代恒星形成時的宇宙“黑暗時期”發(fā)生了什么?！闭绲轮莞呒売嬎銠C中心（TACC）的Wise在新聞稿中這樣講道:

我們不能看到最早的一代恒星，但是，在活化石上有一代恒星的痕跡，因此，觀測早期地球上的活化石很重要，因為活化石上的這些痕跡被一代恒星生成的超新星的化學(xué)物質(zhì)所遍布。

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這也是我們模型所展示的作用。當(dāng)你運行這個模型之后，你就會看到一小段關(guān)于它的動畫，它會告訴你金屬從哪里來、一代星和超新星是怎么影響到這些活化石并留到今天的。

密度、溫度、碳含量豐富度、Pop?III號星的形成循環(huán)周期。圖片來源：chiaki?等

為了模型需要，團隊主要依靠了PACE星團集群。國際科學(xué)基金會（NSF）的極限科學(xué)與工程發(fā)現(xiàn)環(huán)境（XSEDE）、TACC的超級計算機Stampede2和NSF資助的Frontera系統(tǒng)（世界上最快的學(xué)術(shù)超級計算機），以及位于San?Diego的超級計算機中心（SDSC）的彗星集群給予了時間支持。

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因為有了這些星團提供的處理能力和數(shù)據(jù)存儲，團隊才能夠建立宇宙第一代恒星的微弱超新星模型。這展現(xiàn)了在一代恒星之后成型的貧金屬恒星通過混合和回落從第一顆超新星噴出的碎片從而提高了碳含量。

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他們的模擬還表明，首顆超新星產(chǎn)生的氣體云中含有碳質(zhì)顆粒。這導(dǎo)致了低質(zhì)量“貧金屬”恒星的形成，這些恒星很可能今天仍然存在（將來的調(diào)查可能會對其加以研究）

談到這些星星時，Chiaki說：“我們發(fā)現(xiàn)，與已觀測到的碳增強恒星相比，這種恒星的鐵含量極低，其鐵豐度只有太陽的十億分之一。然而，我們可以從中發(fā)現(xiàn)氣體云的碎片。這表明低質(zhì)量恒星形成于低鐵豐度區(qū)。迄今為止，這樣的恒星還未被觀測到。我們的研究為首顆恒星的形成提供了假定的見解。”

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一項觀察了52個亞毫米星系的新研究幫助我們理解宇宙的早期。（來源諾丁漢大學(xué)的奧馬爾·阿爾米尼。）

這些研究是被稱為“銀河考古學(xué)”的一個日漸增長的領(lǐng)域的一部分。如同考古學(xué)家借助化石和文物來了解千百年前消失的社會，天文學(xué)家們尋找古代恒星并加以研究，以期對那些早已死去的恒星有更深入的認(rèn)識。

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據(jù)Chiaki所說，他們下一步將擴大研究范圍，不再僅僅局限于古代恒星的碳特征，而是將其他較重的元素納入模擬中。銀河考古學(xué)家希望借此獲知更多關(guān)于宇宙中生命起源和分布的信息。

Chiaki說：研究目的是了解元素的起源，諸如碳、氧和鈣。這些元素通過發(fā)生在星際媒介和恒星之間重復(fù)的物質(zhì)循環(huán)而集中。我們的身體和地球是由碳、氧、氮和鈣構(gòu)成的。這項研究對于幫助了解構(gòu)成人類的元素的起源意義重大。”

作者：MATT WILLIAMS

FY：Astronomical volunteer team

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