作者:金凤 来源:科技日报 发布时间:2022/4/12 11:45:06
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迄今发现的最远恒星 也许开启了研究早期宇宙的新窗口

 

至今为止,人类还没发现过第一代恒星,因为它们数量稀少,而且在宇宙演化早期,中性氢会吸收天体的光,导致恒星暗淡。如果第一代恒星被探测到,将为揭示星系化学和动力学演化提供重要线索。

——郑宪忠 中国科学院紫金山天文台研究员

近日,美国国家航空航天局(NASA)宣布哈勃空间望远镜(以下简称哈勃)利用引力透镜效应,发现了人类迄今观测到的最遥远的单颗恒星。

这颗恒星诞生于宇宙大爆炸后的10亿年内。研究人员估计,这颗恒星的质量至少是太阳的50倍,亮度是太阳的数百万倍。由于距离地球非常遥远,它发出的光线用了129亿年才到达地球。相关研究结果发表在《自然》杂志上。

这颗恒星被命名为埃伦德尔(Earendel),在古英语单词中意为晨星或旭日之光。那么,这缕“晨光”将为人类揭示宇宙演化带来哪些新的线索?

在NASA看来,哈勃的这一新发现有望开启早期恒星形成相关研究的新篇章。

美国约翰斯·霍普金斯大学研究人员、论文第一作者布赖恩·韦尔奇表示,埃伦德尔存在于很久以前,形成它的“原材料”可能不同于以往已知的恒星,这一发现有助于科学家对宇宙非常早期、恒星形成的未知时代展开研究。

利用宇宙“放大镜”发现129亿年前的星光

此次哈勃发现埃伦德尔,更像是一次偶然的邂逅。“以哈勃的观测能力,原本无法看清那么遥远的星光。但这次哈勃能看到埃伦德尔,是因为在地球和埃伦德尔之间,有一块特殊的‘放大镜’。”中国科学院紫金山天文台研究员郑宪忠告诉科技日报记者,这块“放大镜”其实是一个巨大的星系团——WHL0137-08,正是由于WHL0137-08的引力透镜效应,埃伦德尔的光才能被敏锐的哈勃捕捉到。

引力透镜效应是爱因斯坦广义相对论中预言的一种现象,指时空在大质量天体附近会发生畸变,从而使得光线在经过大质量天体附近时发生偏折。

“当光线经过星系团时,因强大的引力而产生的空间扭曲会使光线偏折,星系团就像放大镜一样汇聚和放大了背景天体的图像,间接形成了一种‘放大镜机制’。”郑宪忠说,星系团WHL0137-08距离地球56亿光年,埃伦德尔所在星系的光在抵达星系团WHL0137-08时,被星系团扭曲成一个长长的新月形,星光被放大了数千倍。

“这类似于在阳光明媚的日子里,游泳池表面的波纹在底部形成明亮的光斑——水面的涟漪充当了透镜,将阳光聚焦到游泳池底,使池底亮斑达到最大亮度。”郑宪忠解释道。

而空间望远镜是通过长时间的曝光来收集宇宙中的光子,从而探测出未知天体的。在WHL0137-08的“助攻”下,这一次,哈勃捕捉到了来自埃伦德尔的光子。

这也是哈勃再一次刷新自己创下的纪录。在埃伦德尔之前,哈勃曾经在2018年发现了一颗遥远的恒星——伊卡洛斯(Icarus)。在详细甄别测算后,科学家最终确认这颗遥远恒星位于地球94亿光年外。

埃伦德尔“身世”仍是未解之谜

埃伦德尔的发现,让科学家颇感意外。布莱恩·韦尔奇说:“一开始我们几乎不相信它的存在,它比此前人类观测到的最遥远的恒星还要远得多。”

韦尔奇认为,埃伦德尔的出现,为人类打开了一扇研究早期宇宙的新窗口。

恒星是由大量氢和氦组成的等离子体,它们的内部不断发生核聚变反应,不断向外发出能量,产生辐射压来对抗自身引力坍缩。

为何科学家能判定哈勃接收到的光来自恒星而非星系或其他天体呢?

“与星系相比,恒星的尺寸要小很多,而且发出的光也要暗淡很多。从目前的数据看,埃伦德尔比目前已知最小的星团更小;另外,恒星的温度一般从800开尔文到几万开尔文不等,埃伦德尔的温度相当于4万开尔文左右,在恒星的温度区间;最后,在哈勃3年多的观测中,埃伦德尔的亮度基本保持不变。所以不可能是无光、无温度的黑洞,也不可能是超新星爆发等。”郑宪忠说。

埃伦德尔诞生于宇宙大爆炸后约9亿年,即诞生于宇宙的“婴儿时期”。

关于埃伦德尔的详细“身世”,至今仍有许多未解之谜,例如它具体的质量、亮度、温度和类型等,以及它是单星还是双星,“大多数像埃伦德尔这种质量的恒星通常都有一个更小、更暗的伴星。”郑宪忠说。

为捕捉第一代恒星的踪迹提供希望

虽然“身世”不详,但埃伦德尔仍然引起了天文学家的极大兴趣,“我们可以独立地研究它的电磁辐射。”韦尔奇说,“这让我们可以直接与银河系中的恒星进行比较,从而加深我们对早期宇宙中恒星的理解。”

更重要的是,埃伦德尔让科学家看到了捕捉第一代恒星踪迹的希望。

“现有的理论模型认为,宇宙大爆炸后,炽热的辐射渐渐平息下来,宇宙温度慢慢下降,经历一个黑暗时期,中性氢开始在一些宇宙物质密度较高的地方聚集,当其质量、压力增大到一定程度时,发生核聚变,形成了第一代恒星。”郑宪忠解释,第一代恒星诞生于距今约137亿年前,基本由氢和氦元素组成,还有极少数的锂等,金属丰度接近零。它们的诞生意味着宇宙再电离时期的开始。而埃伦德尔诞生于宇宙再电离结束时期,它是否携带着第一代恒星的“出生证明”,值得探寻。

“至今为止,人类还没发现过第一代恒星,因为它们数量稀少,而且在宇宙演化早期,中性氢会吸收天体的光,导致恒星暗淡。目前来看,发现第一代恒星有两种途径,一是把人类探测的目光投向更深邃、遥远的宇宙,特别是要关注大质量天体,质量大的恒星亮度也会大,看到的几率就高;二是在银河系里探测质量小、金属丰度极低的天体,因为质量越小的天体,寿命越长。”郑宪忠认为,如果第一代恒星被探测到,将为揭示星系化学和动力学演化提供重要线索。

这让埃伦德尔被寄予厚望。有观点认为,如果后续研究证明埃伦德尔只是由原始的氢和氦组成,这将是传说中第一代恒星存在的第一个证据。

如何破解埃伦德尔有可能隐藏的宇宙之谜?天文学家打算利用詹姆斯·韦布空间望远镜对埃伦德尔进行观测。

在郑宪忠看来,距离我们最遥远的恒星,或者说第一代恒星,形成的条件很苛刻,找到它们并了解它们最初的演化过程,如气体是如何冷却形成的恒星,最初的恒星到底有多大,它们的质量、寿命是多少,恒星是否直接由气体引力坍缩形成等,对于验证现有恒星理论具有重大意义。

“了解天体是如何诞生的,对于探寻生命的起源、理解文明的意义或许也会提供一些借鉴。”郑宪忠说。

 
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