一颗新发现的古老恒星的组成与其他恒星不同

过去的138亿年里，宇宙已经从一个炽热、致密、基本均匀的早期状态演化为一个团块、团块、恒星和星系丰富的状态，其中典型的星际和星系间距离绝对是巨大的。 重要的是，今天存在的恒星与宇宙最早阶段创造的恒星不同。 虽然今天形成的恒星是由曾经在一颗或多颗恒星内部并返回星际介质的所有回收材料组成的，但早期制造的恒星是原始的：主要由氢和氦组成：这种物质在热大爆炸后不久就存在。

每当我们看到一颗恒星时，我们都会获得关于宇宙的累积历史的信息，直到那颗特定的恒星形成的那一刻：在它形成之前生活和死亡的所有世代。 但在早期，当前几代恒星形成时，「下一代」恒星的化学富集可能主要来自一个单一的、巨大的来源。 如果是这样的话，即使是几颗恒星，我们也应该发现一群非常古老的恒星，它们具有不寻常的成分：与由星际介质中充分混合的物质形成的更常见的元素比例相比，具有非常不寻常的元素比例。 随着 一项非凡的发现 ，一颗恒星正在帮助我们改写我们的宇宙历史。

恒星形成区域由引力坍缩、湍流和辐射产生的能量驱动，将小尺度和大尺度的特征雕刻成螺旋星系。 在恒星/恒星形成区域尺度上，上升到银河系和星系群/星团尺度，其影响可以通过宇宙结构感受到和看到。 图片来源 ：PHANGS 合作，设计：Daniela Leitner

当我们讲述宇宙中恒星形成的历史时，它通常如下进行。 一开始，根本没有恒星，因为质子和中子，然后是原子核，然后形成中性原子。 这些原始的气体云需要数千万年甚至数亿年的引力才能变得足够大，这样它们就可以坍缩，当它们坍缩时，它们会触发第一代恒星的形成：最初仅由氢和氦组成的恒星。

但随后第一代恒星死亡，包括其中许多恒星在超新星等恒星灾难中死亡，并且该恒星内部发生的所有核反应 - 恒星核心在其生命周期中发生的缓慢燃烧的聚变反应，以及灾难性事件期间发生的快速反应 - 累积反映在前恒星返回星际介质的物质中。

随着时间的流逝，这些富集的喷射物质会与星际介质的其余部分混合，星际介质是一个伟大的宇宙循环系统。 从现在丰富的星际物质中，将形成新一代的恒星，随着时间的推移，星际介质逐渐变得更加丰富。

恒星形成区域Sh 2-106展示了一组有趣的现象，包括被照亮的气体，一颗明亮的中心恒星提供照明，以及尚未被吹走的气体的蓝色反射。 这个区域的各种恒星可能来自许多不同过去和世代历史的恒星的组合，但它们都不是原始的：它们都含有大量的重元素。 图片来源 ：ESA/哈勃和美国宇航局

从了解宇宙及其中的恒星如何进化和成长的角度来看，这很有趣：从早期到现在。 我们今天存在于此时此地，但我们能看到的星星不仅仅是现在正在形成的星星; 它们都是宇宙历史上形成的恒星，从我们的观察角度来看，它们仍然在燃烧和闪耀。 如果我們的目標包括瞭解宇宙中最早的恆星，我們有幾種選擇：

1. 我们可以尽可能地寻找最远的距离，并尝试探测最早的恒星种群，当时这些恒星刚刚形成。

2. 或者我们可以环顾四周，看看我们能找到的最古老、最原始的遗迹恒星，并试图通过检查它们今天的性质来了解宇宙在它们形成时的样子。

虽然JWST时代为我们提供了关于早期宇宙的令人难以置信的丰富数据，但只有在极少数情况下，例如 Quyllur 和 Earendel 恒星，单个恒星甚至可以被解析。 相反，从观测的角度来看，在附近观察具有巨大的优势，因为就该恒星的特性而言，你可以测量更多。 您可以对单个恒星本身进行详细测量，而不是恒星群的聚合属性。

太阳的可见光谱，它不仅帮助我们了解它的温度和电离，还帮助我们了解存在的元素的丰度。 长而粗的线是氢和氦，但其他每条线都来自一种重元素，这种元素一定是在上一代恒星中产生的，而不是热的大爆炸。 图片来源 ：N.A.Sharp、NOAO/NSO/Kitt Peak FTS/AURA/NSF

一般来说，你可以测量一个单一的属性来确定一颗恒星在构成它们的元素方面是「更原始」还是「更丰富」：金属度。 对于天文学家来说，任何比氢或氦重的元素都被称为金属，甚至是氧、氯和重惰性气体等极其非金属元素。 因为我们已经精确地测量了太阳中几乎所有元素的存在，所以我们通常会根据元素比例将恒星的金属度与太阳的金属度进行比较：例如，铁（Fe）与氢（H），氧（O）与氢，或碳（C）与氢。

然而，最丰富的恒星将在哪里找到呢？ 在哪里可以找到最原始的恒星？ 金属含量最高的恒星，最丰富的恒星，将被发现在前几代恒星形成、生活和死亡最多的地方：朝向最大质量、最富气体的星系的中心和盘。 另一方面，金属含量最低的恒星，最原始的恒星，将在恒星形成最少的地方被发现：在银河系晕中，在古老的球状星团中，在遥远的太空边缘。 对于我们的家乡银河系，我们甚至绘制了恒星金属性作为它们在太空中位置的函数。

这张彩色编码的地图显示了银河系内超过600万颗恒星的重元素丰度。 红色、橙色和黄色的恒星都富含重元素，它们应该有行星; 绿色和青色编码的恒星应该很少有行星，而编码为蓝色或紫色的恒星周围应该绝对没有行星。 请注意，银河系盘的中心平面一直延伸到银河系核心，有可能形成宜居的岩石行星。 图片来源 ：ESA/Gaia/DPAC; CC BY-SA 3.0 国际教育组织

目前，一系列地面和天基测量将我们的天文知识带到了前所未有的新高度。 凭借巨大的天空覆盖范围和令人印象深刻的分辨率，以及宽视场相机和光学装置，天文学家不仅测量了大面积的天空，而且利用这些新颖的能力测量了大量恒星的许多特性：在一些调查中数十万颗，在另一些调查中数百万颗，甚至在欧洲航天局的盖亚任务中超过十亿颗恒星。

你之所以要研究这么多恒星，是因为如果你在寻找异常值——那些不属于绝大多数兄弟所属的广泛类别的恒星——你必须调查其中的大量恒星，甚至有机会找到稀有的恒星。 例如，斯隆数字巡天 （SDSS） 二十年来一直在观测大片天空，相机和仪器不断更新。 它发现的一颗恒星具有非常不寻常的特性：J0931 + 0038，或简称J0931，它首先由 SDSS-V银河系测绘仪 数据识别，该数据本身旨在测量和分析来自大约500万颗独立银河系恒星的数据。

艺术家的插图（左）描绘了一颗大质量恒星在超新星燃烧前的最后阶段的内部。 （硅燃烧是铁、镍和钴在核心中形成的地方。 仙后座A超新星残骸的钱德拉图像（右）显示了铁（蓝色）、硫（绿色）和镁（红色）等元素。 喷射出的恒星物质可以因红外线中的热量而发光数万年，超新星喷出的物质可能是不对称的，并且其中可能含有分离的元素，如图所示。 在合适的环境中，这种不对称的物质可以不均匀地融入到后代恒星中。 鸣谢 ：NASA/CXC/M.Weiss（插图，左） NASA/CXC/GSFC/U. Hwang & J. Laming（右图）

这颗名为J0931的恒星最初被SDSS标记为具有低金属度：或重元素丰度非常低。 恒星中的铁含量相对于恒星中的氢含量，表明只有太阳中铁含量的~1.7%左右：重元素的丰度很低，但不是很原始。 这导致天文学家通过大型而强大的麦哲伦望远镜（直径6.5米的望远镜）在光谱学上以高分辨率对其进行跟踪。

令人惊讶的是，在这颗恒星中发现的元素 - 如果你逐个元素地观察它们 - 并没有表现出我们通常在恒星中发现的典型丰度，当我们观察它们相对于彼此的丰度时。 与发现的铁量相比，一些元素非常丰富，包括锶 （Sr）、钇 （Y）、锰 （Mn）、镍 （Ni） 和锌 （Zn） 等的丰度增加。 其他元素，如钠（Na）、钛（Ti）、钪（Sc）和钡（Ba），与大多数其他典型恒星相比，显示出巨大的缺陷。 就好像这颗恒星J0931同时向我们讲述了多个不同的宇宙故事。

教训#1：不是所有的星星都均匀地富集; 至少有些恒星部分富含某些元素，而部分缺乏其他元素。

这张图显示了麦哲伦望远镜在J0931恒星内看到的各种光谱特征。 虽然有许多元素表现出与正常恒星（以紫色显示）或r过程增强（例如，由超新星产生的中子增强）恒星（以蓝色显示）相似的特征，但恒星J0931（黑色）在涉及大量元素时要么严重增强，要么缺乏。 图片来源 ：A.P. Ji 等人，【天体物理学杂志快报】，2024 年

然而，我们必须接受这颗恒星的存在，即使它如何获得它现在所显示的特性有多种促成因素，也只有一个宇宙故事导致了它的存在。 在刚刚被【 天体物理学杂志】（Astrophysical Journal ）刊登的一篇新论文中，天文学家 亚历克斯·吉（Alex Ji ）和他的合作者提出了一个引人入胜的潜在解释，可以用一个单一的宇宙故事来解释这个系统：这颗恒星在宇宙历史的早期就形成了，由近乎原始的物质组成，只是略微富集。

但是在附近，在这颗恒星形成前不久，发生了一次孤独的、早期的、不对称的超新星事件，不规则地播种了星际介质，一些元素在某些方向上比其他元素更倾向于富集，而有些元素则没有在相同的方向上变得富集。 如果超新星产生的碎屑有某种定向发射，然后恒星迅速由包括这种不规则富集和回收的恒星碎片的物质形成，那么就有可能形成像J0931这样的恒星：恒星不是由星际介质的混合样本形成的，而是由一个不寻常的样本形成的，这些样本比当时的宇宙平均水平有一些富集和一些不足。

带有误差线的灰线代表近5000颗正常恒星的范围，这些恒星的重元素丰度比从太阳的0.03%一直到太阳的3.2%。 红点显示了J0931中各种元素的光谱测定的元素丰度，显示了相对于该样品的增强和严重缺陷。 图片来源 ：A.P. Ji 等人，【天体物理学杂志快报】，2024 年

之所以很少有恒星会显示出像J0931这样的特性，是因为随着时间的推移，会发生三件事。

1. 随着时间的流逝，来自各种灾难性事件的喷射物，甚至是高度不对称的喷射物，最终会与星际介质的其余部分很好地混合。

2. 宇宙中形成的大多数恒星都是在许多暴力事件之后形成的，并且也形成于宇宙中优先富集的区域。

3. 而且，即使是最初从未形成恒星的原始区域，随着时间的推移，也会与回收的污染物质「混合」。

因此，这些重度、不对称的富集/增强恒星只能形成一个短暂的时间窗口，只有这些窗口中最早的才会产生像J0931这样的低金属度恒星，它们也表现出这些特性。

此外，每当恒星形成时，它们都会形成各种各样的质量，质量越高，寿命就越短。 它只是质量最小的恒星——如果我们谈论的是120亿-130亿年前形成的恒星，那只是质量小于太阳的恒星——即使在今天，它们仍然会持续存在。

教训#2：超新星事件可以产生元素的不对称分布，然后新恒星可以形成，并印有这种不寻常的分布。

图上的红点显示了J0931中观测到的各种元素的丰度，而蓝点显示了由一次超新星爆炸产生的预测元素丰度，其祖星的质量为80个太阳质量。 尽管这个模型可以很好地解释大多数元素丰度，但它仍然不能解释所有元素。 图片来源 ：A.P. Ji 等人，【天体物理学杂志快报】，2024 年

当我们观察J0931中存在的元素的精确分布时，情况变得更加令人不安，因为我们很快发现，我们没有一个超新星模型可以同时预测所有观察到的元素丰度。 从~80太阳质量恒星产生的超新星或超新星可以对许多元素起作用，但不是全部。 当你一起查看数据时，它暗示了一种情况，即形成这颗恒星的物质由以下部分组成：

然后可以解释奇偶元素相对于观察到的不同元素的丰度。

然而，这种情况再次出现了一个谜题，因为我们最好的恒星演化模型表明，大约40到140个太阳质量的恒星根本不应该变成超新星，而是直接坍缩成黑洞，而没有任何类型的恒星灾难。 这颗恒星可能有一些新的东西可以教给我们：那就是自然界，至少有时对于这个质量范围内的恒星来说，会做一些与我们天真的期望不同的事情，让我们相信。

教训#3：我们关于恒星何时经历直接坍缩与它们在超新星中爆炸的最简单模型与我们的所有观测结果不匹配，需要改进/改进。

超新星类型是初始恒星质量和比氦重的元素的初始含量（金属含量）的函数。 请注意，第一颗恒星占据了图表的底行，不含金属，黑色区域对应于直接坍缩的黑洞。 对于现代恒星，我们不确定产生中子星的超新星与产生黑洞的超新星在根本上是相同还是不同，以及它们在自然界中是否存在「质量间隙」。 我们还必须考虑到，质量和金属性以外的影响可能确实在决定大质量恒星的命运方面发挥重要作用，包括它们是否有助于丰富星际介质。 图片来源 ：Fulvio314 / Wikimedia Commons

还有其他证据表明，恒星的命运并不完全由通常假设的质量和金属度等因素决定。 我们观察到一颗质量为25太阳质量的恒星似乎只是「眨眼」消失了，没有留下任何残余物、灾难或任何类型的排放物，即使这种质量的恒星应该变成超新星，而不是直接坍缩。 在早期宇宙中，我们从观测到的黑洞中得到证据表明，在10,000-100,000太阳质量范围内可能存在物质团块，它们只是坍缩形成超大质量黑洞的种子，而没有任何形成恒星的中间阶段。

有可能，甚至可能，我们所看到的暗示我们，我们目前对恒星生死的理解，特别是在高质量和更原始的过去，太幼稚了，需要大量的改进。 也许早期宇宙中产生的大质量物体背后的大部分天体物理学是由我们没有正确建模的因素决定的，而早期恒星的不对称富集比我们目前意识到的更普遍。 不管怎样，识别J0931，并希望有更多像它这样的恒星，确实照亮了重元素是如何在我们宇宙历史的早期产生的，这导致了最后的意想不到的教训。

教训#4：通过识别最古老，金属含量最低的恒星，并用高分辨率光谱测量它们，涵盖各种元素，我们可以学习有关早期宇宙中最大质量恒星中核合成如何工作的课程。