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J1010+2358:宇宙誕生的第一代恒星的唯一後裔?

2024-03-03科學

第一代恒星是由最原始的氣體雲,即只含有氫、氦和少量鋰的氣體雲,塌縮而成的。這些氣體雲是宇宙大爆炸後形成的最初物質,因此第一代恒星也被稱為「原初恒星」或「零金屬恒星」。由於這些氣體雲的密度很低,它們需要聚集非常多的物質才能形成恒星,因此第一代恒星的質素都非常巨大,可能達到幾百甚至上千倍的太陽質素。這些巨型恒星的壽命也非常短暫,只有幾百萬年,相比之下,太陽的壽命是約100億年。

第一代恒星在它們的內部制造了新的元素,比如碳、氮、氧等,這些元素是生命的基礎。當第一代恒星死亡時,它們以劇烈的超新星爆炸的方式結束了它們的生命,將這些新元素散布到宇宙中。這些新元素與原始氣體混合,形成了富含金屬的氣體雲,從而催生了第二代恒星。第二代恒星的質素比第一代恒星小,壽命也比第一代恒星長,它們也在它們的內部制造了更重的元素,比如鐵、鎳等。第二代恒星死亡後,又形成了第三代恒星,以此類推,直到現在的恒星。

由於第一代恒星的存在時間非常短,它們很可能已經在宇宙的早期階段就消失了,因此我們很難直接觀測到它們。但是,如果我們能找到它們的後代,也就是那些只有一個第一代恒星祖先的恒星,那麽我們就可以透過它們的化學成分來推斷出第一代恒星的特征。這樣的後代恒星應該非常稀有,因為它們需要在第一代恒星死亡後很快就形成,而且不能與其他恒星的物質混合。最近,一些研究人員聲稱,他們在銀河系中發現了這樣一顆恒星,它的名字叫做 J1010+2358。

J1010+2358 是一顆位於銀河系外圍的恒星,它的質素約為太陽的0.8倍,表面溫度約為6000攝氏度。這顆恒星的最大特點是它的金屬含量非常低,只有太陽的千分之一。在天文學中,金屬是指比氦重的元素,它們是在恒星內部或者恒星爆炸時產生的。因此,金屬含量低的恒星通常意味著它們的年齡較大,或者它們的祖先較少。

除了金屬含量低,J1010+2358 還有另一個奇怪的地方,那就是它的化學豐度模式,也就是不同元素相對於氫的比例。J1010+2358 的化學豐度模式與其他低金屬恒星不同,它顯示出一種特殊的偏好,即它更傾向於含有偶數個質子的元素,而不是含有奇數個質子的元素。例如,J1010+2358 的鈉(原子序數為11)含量非常低,而鎂(原子序數為12)含量則相對較高。這種偏好表明,J1010+2358 的物質可能來自一顆特殊的恒星,這顆恒星在它的內部以一種特殊的方式合成了元素。

根據 J1010+2358 的化學豐度模式,一些研究人員推測,它的物質可能來自一顆260個太陽質素的恒星,這顆恒星是第一代恒星中的一員。這顆恒星在它的內部以快速中子俘獲過程(r-過程)合成了元素,這是一種涉及大量中子的核反應,可以產生一些重元素,比如鈾、釷等。這顆恒星在死亡時,以一種特殊的方式爆炸,稱為磁旋波超新星爆炸,這是一種涉及強磁場和快速旋轉的爆炸,可以將恒星的物質噴射到宇宙中。J1010+2358 就是在這顆恒星的遺跡中形成的,因此它繼承了這顆恒星的化學特征。如果這個推測是正確的,那麽 J1010+2358 就是第一代恒星的唯一後裔,也是我們探索宇宙最古老的恒星的有力線索。

然而,J1010+2358 的故事並沒有這麽簡單。最近,由佛羅倫斯大學的 Ioanna Koutsouridou 領導的一個研究小組對 J1010+2358 的化學成分進行了更深入的分析,發現它可能不是只有一個第一代恒星祖先的恒星,而是有著更復雜的家族史。

Koutsouridou 的研究小組利用了一種稱為化學演化模型的方法,來探究 J1010+2358 的物質是如何形成的。這種方法可以模擬銀河系中不同元素的豐度是如何隨著時間變化的,以及不同類別的恒星是如何影響這種變化的。透過將 J1010+2358 的化學豐度模式與化學演化模型進行比較,研究小組可以推斷出 J1010+2358 的物質是由哪些恒星貢獻的,以及這些恒星的質素和數量。

研究小組的結果顯示,J1010+2358 的物質確實來自一顆260個太陽質素的恒星,這顆恒星是第一代恒星中的一員,它以磁旋波超新星爆炸的方式結束了它的生命。但是,這顆恒星並不是 J1010+2358 的唯一祖先,還有其他的恒星也對 J1010+2358 的物質有所貢獻。這些恒星的質素和數量都不確定,但是它們都是第一代恒星或者第二代恒星,它們的金屬含量都很低。這意味著,J1010+2358 的物質是由一系列的恒星遺跡混合而成的,而不是由一顆單獨的恒星遺跡形成的。

研究小組還發現,J1010+2358 的化學豐度模式對第一代恒星的質素分布有一定的約束作用。第一代恒星的質素分布是指第一代恒星中不同質素的恒星的比例,這是一個非常重要的參數,因為它可以反映出宇宙早期的物理條件,比如溫度、密度、亂流等。然而,第一代恒星的質素分布目前還不清楚,不同的理論模型給出了不同的預測。透過 J1010+2358 的化學豐度模式,研究小組可以排除一些不符合觀測的理論模型,從而縮小第一代恒星的質素分布的可能範圍。

不過,這種約束的強度取決於 J1010+2358 有多少物質來自它的260個太陽質素的祖先。如果這顆祖先恒星只貢獻了 J1010+2358 金屬的10%,那麽 J1010+2358 的化學豐度模式就不能對第一代恒星的質素分布有任何約束。只有當這顆祖先恒星貢獻了 J1010+2358 金屬的70%以上,才能對第一代恒星的質素分布有一定的約束。而這顆祖先恒星到底貢獻了多少,目前還不確定,因為 J1010+2358 的光譜中還有一些關鍵的元素沒有被測量到,比如鍶、鋇、鉛等。如果未來能夠測量到這些元素的豐度,那麽 J1010+2358 的家族史就會更加清楚,它對第一代恒星的質素分布的約束也會更加明確。

J1010+2358 是一顆非常罕見和特殊的恒星,它為我們探索宇宙中最古老的恒星提供了一個獨特的視窗。雖然它可能不是第一代恒星的唯一後裔,但它的化學成分仍然保留了第一代恒星的痕跡,尤其是那顆260個太陽質素的祖先恒星的痕跡。透過 J1010+2358,我們可以了解第一代恒星的質素、壽命、核反應、爆炸方式等特征,從而揭示宇宙早期的物理過程和化學演化。J1010+2358 也為我們尋找更多的第一代恒星的後代提供了一個範例,如果我們能夠發現更多這樣的恒星,那麽我們就能夠更好地重建第一代恒星的畫像,更深入地理解宇宙的起源和演化。