宇宙中第一代恒星質(zhì)量有多大？理論預言其演化形成的特殊超新星存在嗎？中國科學院(中科院)國家天文臺趙剛研究員領導的國際團隊合作完成一項研究揭曉答案稱，他們率先在銀暈恒星中發(fā)現(xiàn)第一代超大質(zhì)量恒星演化后坍縮形成的“對不穩(wěn)定超新星”(PISN)存在的化學證據(jù)。

此前，天文學理論研究曾預言這種特殊超新星的存在，但從未被觀測發(fā)現(xiàn)。基于中國大科學裝置郭守敬望遠鏡(大天區(qū)面積多目標光纖光譜天文望遠鏡，英文縮寫LAMOST)巡天觀測數(shù)據(jù)，中國天文學家領銜完成的最新研究證實，該特殊超新星源自于一顆質(zhì)量高達260倍太陽質(zhì)量的第一代恒星，刷新了人們對第一代恒星質(zhì)量分布的認知。

這一重要天文學發(fā)現(xiàn)及研究成果論文，由中科院國家天文臺聯(lián)合中科院云南天文臺、日本國立天文臺和澳大利亞莫納什大學等合作完成，6月7日在國際著名學術期刊《自然》在線發(fā)表。論文通訊作者趙剛研究員領導的團隊長期從事天體豐度的研究工作，建立大規(guī)模貧金屬星的高分辨率光譜觀測樣本，完成對其化學豐度的系統(tǒng)性定量分析，為最新研究發(fā)現(xiàn)奠定堅實基礎。

趙剛表示，此項研究從觀測上證實第一代恒星的質(zhì)量可達到太陽質(zhì)量的數(shù)百倍，揭示PISN在宇宙早期化學增豐過程中的貢獻，對研究第一代恒星的初始質(zhì)量函數(shù)意義重大，并將對元素起源、宇宙早期的恒星形成和星系化學演化等方面的研究產(chǎn)生深遠影響。

他介紹說，第一代恒星給宇宙帶來第一縷曙光，是終結(jié)黑暗時代的起始點，主導著早期宇宙化學增豐過程和演化歷史。理論預言第一代恒星的壽命極短，只存在于高紅移的宇宙之中，因此直接觀測到第一代恒星的難度極大。長期以來，銀河系“考古”領域一直致力于通過貧金屬星來研究第一代恒星，部分極貧金屬星(金屬含量低于太陽的百分之一)可能誕生于第一代恒星終結(jié)時形成的氣體云，其化學豐度完整保留了第一代恒星演化產(chǎn)物的特征，從而使天文學家能夠利用這些“活化石”揭示第一代恒星的演化歷史。

理論研究表明，第一代恒星的質(zhì)量可以達到太陽質(zhì)量的數(shù)百倍，但一直未能從觀測上發(fā)現(xiàn)相關證據(jù)。通常發(fā)現(xiàn)的極貧金屬星保留了核坍縮超新星(CCSN)的核合成產(chǎn)物，但這些超新星的前身星普遍小于100倍太陽質(zhì)量。對于質(zhì)量介于140-260倍太陽質(zhì)量的第一代恒星而言，其核心處產(chǎn)生的正負電子對會減弱恒星內(nèi)部輻射壓力，并導致恒星坍縮形成一種特殊的超新星即PISN。與核坍縮超新星相比，PISN產(chǎn)物具有極為特殊的化學組成，在其演化后形成的氣體云中誕生的第二代恒星，會展現(xiàn)出極其罕見的化學豐度模式。

論文第一作者、中科院國家天文臺邢千帆博士表示，本次研究中，國際合作團隊結(jié)合郭守敬望遠鏡低分辨率光譜和日本昴星團望遠鏡高分辨率光譜數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)一顆編號為LAMOST J1010+2358的化學豐度極為特殊的恒星，它具有目前已知最低的鈉含量，其化學豐度還顯示出強烈的“奇偶效應”，即原子序數(shù)為奇數(shù)的元素含量遠低于相鄰的原子序數(shù)為偶數(shù)的元素含量。此外，LAMOST J1010+2358恒星基本不含鍶、鋇等中子俘獲元素，幾乎未受到中子俘獲過程的影響。這些化學豐度特征無法通過核坍縮超新星理論模型解釋，卻與260倍太陽質(zhì)量的PISN理論計算結(jié)果高度吻合。

邢千帆認為，這一研究發(fā)現(xiàn)首次從觀測上證實PISN的存在，并為第一代超大質(zhì)量恒星(超過100倍太陽質(zhì)量)形成和演化的觀測研究指明方向。同時，PISN的前身星質(zhì)量大、壽命短(小于300萬年)，在其爆發(fā)后誕生的恒星極可能是迄今發(fā)現(xiàn)的最為古老的第二代恒星。

哈佛大學前天文系主任阿維·勒布(Avi Loeb)稱，發(fā)現(xiàn)PISN的證據(jù)是貧金屬星研究領域的“圣杯”之一。《自然》期刊審稿人評價說，該成果第一次為PISN與銀暈恒星化學豐度之間的聯(lián)系提供決定性證據(jù)。

中科院國家天文臺趙剛研究團隊表示，期待能夠利用郭守敬望遠鏡、中國空間站工程巡天望遠鏡發(fā)現(xiàn)更多化學豐度特殊的恒星，使天文學家可以通過對第一代恒星遺跡的分析，進一步確定恒星初始質(zhì)量函數(shù)，加深對銀河系演化歷史的理解。(完)