一顆新發現的古老恒星的組成與其他恒星不同

過去的138億年裏，宇宙已經從一個熾熱、致密、基本均勻的早期狀態演化為一個團塊、團塊、恒星和星系豐富的狀態，其中典型的星際和星系間距離絕對是巨大的。 重要的是，今天存在的恒星與宇宙最早階段創造的恒星不同。 雖然今天形成的恒星是由曾經在一顆或多顆恒星內部並返回星際介質的所有回收材料組成的，但早期制造的恒星是原始的：主要由氫和氦組成：這種物質在熱大爆炸後不久就存在。

每當我們看到一顆恒星時，我們都會獲得關於宇宙的累積歷史的資訊，直到那顆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，當前幾代恒星形成時，「下一代」恒星的化學富集可能主要來自一個單一的、巨大的來源。 如果是這樣的話，即使是幾顆恒星，我們也應該發現一群非常古老的恒星，它們具有不尋常的成分：與由星際介質中充分混合的物質形成的更常見的元素比例相比，具有非常不尋常的元素比例。 隨著 一項非凡的發現 ，一顆恒星正在幫助我們覆寫我們的宇宙歷史。

恒星形成區域由重力塌縮、亂流和輻射產生的能量驅動，將小尺度和大尺度的特征雕刻成螺旋星系。 在恒星/恒星形成區域尺度上，上升到銀河系和星系群/星團尺度，其影響可以透過宇宙結構感受到和看到。 圖片來源 ：PHANGS 合作，設計：Daniela Leitner

當我們講述宇宙中恒星形成的歷史時，它通常如下進行。 一開始，根本沒有恒星，因為質子和中子，然後是原子核，然後形成中性原子。 這些原始的氣體雲需要數千萬年甚至數億年的重力才能變得足夠大，這樣它們就可以塌縮，當它們塌縮時，它們會觸發第一代恒星的形成：最初僅由氫和氦組成的恒星。

但隨後第一代恒星死亡，包括其中許多恒星在超新星等恒星災難中死亡，並且該恒星內部發生的所有核反應 - 恒星核心在其生命周期中發生的緩慢燃燒的聚變反應，以及災難性事件期間發生的快速反應 - 累積反映在前恒星返回星際介質的物質中。

隨著時間的流逝，這些富集的噴射物質會與星際介質的其余部份混合，星際介質是一個偉大的宇宙迴圈系統。 從現在豐富的星際物質中，將形成新一代的恒星，隨著時間的推移，星際介質逐漸變得更加豐富。

恒星形成區域Sh 2-106展示了一組有趣的現象，包括被照亮的氣體，一顆明亮的中心恒星提供照明，以及尚未被吹走的氣體的藍色反射。 這個區域的各種恒星可能來自許多不同過去和世代歷史的恒星的組合，但它們都不是原始的：它們都含有大量的重元素。 圖片來源 ：ESA/哈伯和美國太空總署

從了解宇宙及其中的恒星如何前進演化和成長的角度來看，這很有趣：從早期到現在。 我們今天存在於此時此地，但我們能看到的星星不僅僅是現在正在形成的星星; 它們都是宇宙歷史上形成的恒星，從我們的觀察角度來看，它們仍然在燃燒和閃耀。 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. 我們可以盡可能地尋找最遠的距離，並嘗試探測最早的恒星族群，當時這些恒星剛剛形成。

2. 或者我們可以環顧四周，看看我們能找到的最古老、最原始的遺跡恒星，並試圖透過檢查它們今天的性質來了解宇宙在它們形成時的樣子。

雖然JWST時代為我們提供了關於早期宇宙的令人難以置信的豐富數據，但只有在極少數情況下，例如 Quyllur 和 Earendel 恒星，單個恒星甚至可以被解析。 相反，從觀測的角度來看，在附近觀察具有巨大的優勢，因為就該恒星的特性而言，你可以測量更多。 您可以對單個恒星本身進行詳細測量，而不是恒星群的聚合內容。

太陽的可見光譜，它不僅幫助我們了解它的溫度和電離，還幫助我們了解存在的元素的豐度。 長而粗的線是氫和氦，但其他每條線都來自一種重元素，這種元素一定是在上一代恒星中產生的，而不是熱的大爆炸。 圖片來源 ：N.A.Sharp、NOAO/NSO/Kitt Peak FTS/AURA/NSF

一般來說，你可以測量一個單一的內容來確定一顆恒星在構成它們的元素方面是「更原始」還是「更豐富」：金屬度。 對於天文學家來說，任何比氫或氦重的元素都被稱為金屬，甚至是氧、氯和重惰性氣體等極其非金屬元素。 因為我們已經精確地測量了太陽中幾乎所有元素的存在，所以我們通常會根據元素比例將恒星的金屬度與太陽的金屬度進行比較：例如，鐵（Fe）與氫（H），氧（O）與氫，或碳（C）與氫。

然而，最豐富的恒星將在哪裏找到呢？ 在哪裏可以找到最原始的恒星？ 金屬含量最高的恒星，最豐富的恒星，將被發現在前幾代恒星形成、生活和死亡最多的地方：朝向最大質素、最富氣體的星系的中心和盤。 另一方面，金屬含量最低的恒星，最原始的恒星，將在恒星形成最少的地方被發現：在銀河系暈中，在古老的球狀星團中，在遙遠的太空邊緣。 對於我們的家鄉銀河系，我們甚至繪制了恒星金內容作為它們在太空中位置的函數。

這張彩色編碼的地圖顯示了銀河系內超過600萬顆恒星的重元素豐度。 紅色、橙色和黃色的恒星都富含重元素，它們應該有行星; 綠色和青色編碼的恒星應該很少有行星，而編碼為藍色或紫色的恒星周圍應該絕對沒有行星。 請註意，銀河系盤的中心平面一直延伸到銀河系核心，有可能形成宜居的巖石行星。 圖片來源 ：ESA/Gaia/DPAC; CC BY-SA 3.0 國際教育組織

目前，一系列地面和天基測量將我們的天文知識帶到了前所未有的新高度。 憑借巨大的天空覆蓋範圍和令人印象深刻的分辨率，以及寬視場相機和光學裝置，天文學家不僅測量了大面積的天空，而且利用這些新穎的能力測量了大量恒星的許多特性：在一些調查中數十萬顆，在另一些調查中數百萬顆，甚至在歐洲航天局的蓋亞任務中超過十億顆恒星。

你之所以要研究這麽多恒星，是因為如果你在尋找異常值——那些不屬於絕大多數兄弟所屬的廣泛類別的恒星——你必須調查其中的大量恒星，甚至有機會找到稀有的恒星。 例如，史隆數碼巡天 （SDSS） 二十年來一直在觀測大片天空，相機和儀器不斷更新。 它發現的一顆恒星具有非常不尋常的特性：J0931 + 0038，或簡稱J0931，它首先由 SDSS-V銀河系測繪儀 數據辨識，該數據本身旨在測量和分析來自大約500萬顆獨立銀河系恒星的數據。

藝術家的插圖（左）描繪了一顆大質素恒星在超新星燃燒前的最後階段的內部。 （矽燃燒是鐵、鎳和鈷在核心中形成的地方。 仙後座A超新星殘骸的錢德拉影像（右）顯示了鐵（藍色）、硫（綠色）和鎂（紅色）等元素。 噴射出的恒星物質可以因紅外線中的熱量而發光數萬年，超新星噴出的物質可能是不對稱的，並且其中可能含有分離的元素，如圖所示。 在合適的環境中，這種不對稱的物質可以不均勻地融入到後代恒星中。 鳴謝 ：NASA/CXC/M.Weiss（插圖，左） NASA/CXC/GSFC/U. Hwang & J. Laming（右圖）

這顆名為J0931的恒星最初被SDSS標記為具有低金屬度：或重元素豐度非常低。 恒星中的鐵含量相對於恒星中的氫含量，表明只有太陽中鐵含量的~1.7%左右：重元素的豐度很低，但不是很原始。 這導致天文學家透過大型而強大的麥哲倫望遠鏡（直徑6.5米的望遠鏡）在光譜學上以高分辨率對其進行跟蹤。

令人驚訝的是，在這顆恒星中發現的元素 - 如果你逐個元素地觀察它們 - 並沒有表現出我們通常在恒星中發現的典型豐度，當我們觀察它們相對於彼此的豐度時。 與發現的鐵量相比，一些元素非常豐富，包括鍶 （Sr）、釔 （Y）、錳 （Mn）、鎳 （Ni） 和鋅 （Zn） 等的豐度增加。 其他元素，如鈉（Na）、鈦（Ti）、鈧（Sc）和鋇（Ba），與大多數其他典型恒星相比，顯示出巨大的缺陷。 就好像這顆恒星J0931同時向我們講述了多個不同的宇宙故事。

教訓#1：不是所有的星星都均勻地富集; 至少有些恒星部份富含某些元素，而部份缺乏其他元素。

這張圖顯示了麥哲倫望遠鏡在J0931恒星內看到的各種光譜特征。 雖然有許多元素表現出與正常恒星（以紫色顯示）或r過程增強（例如，由超新星產生的中子增強）恒星（以藍色顯示）相似的特征，但恒星J0931（黑色）在涉及大量元素時要麽嚴重增強，要麽缺乏。 圖片來源 ：A.P. Ji 等人，【天體物理學雜誌快報】，2024 年

然而，我們必須接受這顆恒星的存在，即使它如何獲得它現在所顯示的特性有多種促成因素，也只有一個宇宙故事導致了它的存在。 在剛剛被【 天體物理學雜誌】（Astrophysical Journal ）刊登的一篇新論文中，天文學家 艾力斯·吉（Alex Ji ）和他的合作者提出了一個引人入勝的潛在解釋，可以用一個單一的宇宙故事來解釋這個系統：這顆恒星在宇宙歷史的早期就形成了，由近乎原始的物質組成，只是略微富集。

但是在附近，在這顆恒星形成前不久，發生了一次孤獨的、早期的、不對稱的超新星事件，不規則地播種了星際介質，一些元素在某些方向上比其他元素更傾向於富集，而有些元素則沒有在相同的方向上變得富集。 如果超新星產生的碎屑有某種定向發射，然後恒星迅速由包括這種不規則富集和回收的恒星碎片的物質形成，那麽就有可能形成像J0931這樣的恒星：恒星不是由星際介質的混合樣本形成的，而是由一個不尋常的樣本形成的，這些樣本比當時的宇宙平均水平有一些富集和一些不足。

帶有誤差線的灰線代表近5000顆正常恒星的範圍，這些恒星的重元素豐度比從太陽的0.03%一直到太陽的3.2%。 紅點顯示了J0931中各種元素的光譜測定的元素豐度，顯示了相對於該樣品的增強和嚴重缺陷。 圖片來源 ：A.P. Ji 等人，【天體物理學雜誌快報】，2024 年

之所以很少有恒星會顯示出像J0931這樣的特性，是因為隨著時間的推移，會發生三件事。

1. 隨著時間的流逝，來自各種災難性事件的噴射物，甚至是高度不對稱的噴射物，最終會與星際介質的其余部份很好地混合。

2. 宇宙中形成的大多數恒星都是在許多暴力事件之後形成的，並且也形成於宇宙中優先富集的區域。

3. 而且，即使是最初從未形成恒星的原始區域，隨著時間的推移，也會與回收的汙染物質「混合」。

因此，這些重度、不對稱的富集/增強恒星只能形成一個短暫的時間視窗，只有這些視窗中最早的才會產生像J0931這樣的低金屬度恒星，它們也表現出這些特性。

此外，每當恒星形成時，它們都會形成各種各樣的質素，質素越高，壽命就越短。 它只是質素最小的恒星——如果我們談論的是120億-130億年前形成的恒星，那只是質素小於太陽的恒星——即使在今天，它們仍然會持續存在。

教訓#2：超新星事件可以產生元素的不對稱分布，然後新恒星可以形成，並印有這種不尋常的分布。

圖上的紅點顯示了J0931中觀測到的各種元素的豐度，而藍點顯示了由一次超新星爆炸產生的預測元素豐度，其祖星的質素為80個太陽質素。 盡管這個模型可以很好地解釋大多數元素豐度，但它仍然不能解釋所有元素。 圖片來源 ：A.P. Ji 等人，【天體物理學雜誌快報】，2024 年

當我們觀察J0931中存在的元素的精確分布時，情況變得更加令人不安，因為我們很快發現，我們沒有一個超新星模型可以同時預測所有觀察到的元素豐度。 從~80太陽質素恒星產生的超新星或超新星可以對許多元素起作用，但不是全部。 當你一起檢視數據時，它暗示了一種情況，即形成這顆恒星的物質由以下部份組成：

然後可以解釋奇偶元素相對於觀察到的不同元素的豐度。

然而，這種情況再次出現了一個謎題，因為我們最好的恒星演化模型表明，大約40到140個太陽質素的恒星根本不應該變成超新星，而是直接塌縮成黑洞，而沒有任何類別的恒星災難。 這顆恒星可能有一些新的東西可以教給我們：那就是自然界，至少有時對於這個質素範圍內的恒星來說，會做一些與我們天真的期望不同的事情，讓我們相信。

教訓#3：我們關於恒星何時經歷直接塌縮與它們在超新星中爆炸的最簡單模型與我們的所有觀測結果不匹配，需要改進/改進。

超新星類別是初始恒星質素和比氦重的元素的初始含量（金屬含量）的函數。 請註意，第一顆恒星占據了圖表的底行，不含金屬，黑色區域對應於直接塌縮的黑洞。 對於現代恒星，我們不確定產生中子星的超新星與產生黑洞的超新星在根本上是相同還是不同，以及它們在自然界中是否存在「質素間隙」。 我們還必須考慮到，質素和金內容以外的影響可能確實在決定大質素恒星的命運方面發揮重要作用，包括它們是否有助於豐富星際介質。 圖片來源 ：Fulvio314 / Wikimedia Commons

還有其他證據表明，恒星的命運並不完全由通常假設的質素和金屬度等因素決定。 我們觀察到一顆質素為25太陽質素的恒星似乎只是「眨眼」消失了，沒有留下任何殘余物、災難或任何類別的排放物，即使這種質素的恒星應該變成超新星，而不是直接塌縮。 在早期宇宙中，我們從觀測到的黑洞中得到證據表明，在10,000-100,000太陽質素範圍內可能存在物質團塊，它們只是塌縮形成超大質素黑洞的種子，而沒有任何形成恒星的中間階段。

有可能，甚至可能，我們所看到的暗示我們，我們目前對恒星生死的理解，特別是在高質素和更原始的過去，太幼稚了，需要大量的改進。 也許早期宇宙中產生的大質素物體背後的大部份天體物理學是由我們沒有正確建模的因素決定的，而早期恒星的不對稱富集比我們目前意識到的更普遍。 不管怎樣，辨識J0931，並希望有更多像它這樣的恒星，確實照亮了重元素是如何在我們宇宙歷史的早期產生的，這導致了最後的意想不到的教訓。

教訓#4：透過辨識最古老，金屬含量最低的恒星，並用高分辨率光譜測量它們，涵蓋各種元素，我們可以學習有關早期宇宙中最大質素恒星中核合成如何工作的課程。