中国科学家发现最古老的恒星！居然就在我们家门口？

合集 · 解读科技问题 (79)

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首先，需要了解一下宇宙演化的标准理论。在大爆炸之后，一开始是没有天体的，这叫做“黑暗时代”。大约在大爆炸之后的1至2亿年里，形成了第一代恒星。形成它们的原材料是宇宙原初核合成产生的轻元素——大量的H、He与极少量的Li，这些轻元素构成了贫金属气体云团。
	这里有个很好玩的词，就是“金属”。请问，C、N、O是不是金属？我们平常会认为它们都是非金属，但天文学中却把它们都称为金属。实际上，天文学的定义是，只要是比H和He重的，都叫做金属！
	这是因为，宇宙中大部分的物质是H，其次是He，比这俩重的几乎都是通过核聚变产生的，含量就少得多了。因此在天文学家看来，不管你是Li还是C还是O，同样都是一锅炖，你们都是少数派，都是通过一些少见的过程产生的，都叫做金属。
	贫金属气体云团要形成第一代恒星，就需要块头非常大，这样才能使引力克服热压力，把它们吸引到一起。因此，第一代恒星往往质量很大，有的甚至高达几百倍太阳质量。它们后代的恒星就轻得多了，最大也就到几十倍太阳质量而已。
	接下来是一个非常有趣的问题：第一代恒星有没有存活到现在的？答案是没有。
	这是一个鉴别天文学内行和外行的经典问题，就是恒星的寿命跟质量是什么关系？外行很可能以为，质量越大，燃料就越多，烧得就越久。但实际正相反，质量越大，寿命越短！这是因为质量越大，核聚变就越剧烈，单位时间内消耗的质量比总质量本身增长得更快，所以结果是寿命变得更短。换句话说就是，质量越小，苟得越久。你可以选择作为大质量恒星辉煌灿烂地度过短暂的一生，也可以选择作为小质量恒星闷声发大财地苟到宇宙尽头。
	第一代恒星的质量非常巨大，因此它们的寿命很短，往往只有数百万年，远远短于太阳的寿命约100亿年。跟能苟上万亿年的红矮星相比，更是倏忽而逝。
	第一代恒星的结局，跟它的质量有关。如果它的质量小于一百个太阳质量，那么最后核聚变反应停止的时候，星体会塌缩，产生超新星爆炸，中心的恒星核可能形成黑洞。爆炸过程会把核聚变形成的重元素抛散到星际空间里，这就是星际介质中的元素增丰过程。不过到目前为止，人们还没有从观测上直接发现这类第一代恒星的存在。
	然而，有一类第一代恒星是有可能留下长寿命后代的。它们的质量高达140到260倍太阳质量，可以产生“对不稳定超新星”（pair-instability supernova）。咦，什么叫做“对不稳定”？什么东西的对？
	实际上，这个“对”指的是正负电子对。理论研究认为，这种超大质量第一代恒星内部的核聚变反应极其剧烈，产生的光子能量非常高，光子之间相互作用可以形成正负电子对。这会导致恒星内部的辐射压迅猛减小，使得整个星体剧烈收缩，释放出引力势能，急剧加热星体使其温度迅猛升高。这个过程可以非常剧烈，最终就会导致极其猛烈的超新星爆炸，这种类型的超新星就叫做对不稳定超新星。所以我们可以明白，这个名称的意思是，“正负电子对”导致“不稳定”的“超新星”。
	对不稳定超新星爆炸如此剧烈，把整个星体的物质基本都炸光了，中心就不会形成黑洞，而是会留下一颗小质量的第二代恒星。其质量可以很小，比如小于太阳质量。这就意味着它们寿命很长，甚至可以与宇宙“同寿”。
	这种第二代恒星会有什么特征呢？由于形成第一代恒星的气体云团是极端贫金属的，所以对不稳定超新星爆炸形成的第二代恒星往往也是极端贫金属星。更有趣的是，它们会具有特殊的化学印迹，即所谓的“奇偶效应”——在它们这极少量的金属元素里，奇数号元素的含量会比相邻的偶数号元素明显的低。
	这就意味着，如果我们发现了具有奇偶效应的第二代小质量极端贫金属星，就可以通过研究它们的这个“DNA”，了解它们的父辈对不稳定超新星与第一代恒星的性质。但以前这只是个设想，由于之前已知的小质量贫金属星的样本相当有限，人们没有在其中发现具有奇偶效应的恒星。
	“工欲善其事，必先利其器”，研究人员找到了一个最适合做这种恒星“考古”的设备。它就是中国的大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope），英文简称LAMOST，中文名郭守敬望远镜。
	郭守敬望远镜具有强大的光谱巡天能力。在它高效开展光谱巡天十多年后，它就获得并发布了超过2000万条恒星光谱，成为国际上最大的恒星光谱库。
	基于郭守敬望远镜的海量恒星光谱数据，研究人员开展了国际上最大规模的贫金属星搜寻项目，发现了上万颗贫金属星，并对其中具有极端性质的一小批源，利用口径8.2米的昴星团望远镜进行了光谱精测，更为精确地测定出它们的元素组成，由此发现了迄今已知最为古老的恒星，它叫做LAMOST J1010+2358。