首次觀測:「氮超標」關鍵證據鎖定宇宙初代恆星蹤跡

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11 月 25 日消息,科技媒體 newscientist 昨日(11 月 24 日)發布博文,報道稱天文學家藉助詹姆斯・韋布空間望遠鏡(JWST),發現早期宇宙星系 GS 3073 中異常高的氮氧比,為尋找宇宙第一代恆星(即「第三星族星」)提供了迄今最確鑿的化學證據。

來自哈佛-史密森天體物理中心的德韋什・南達爾(Devesh Nandal)介紹,當前所有星系演化模型都建立在一個基本假設之上:恆星質量無法超過太陽的 120 倍左右。

雖然理論上曾探討過更大質量恆星的可能性,但此前從未有過任何實際觀測證據。然而,南達爾及其團隊利用 JWS 觀測 GS 3073 的遙遠星系後,在其化學信號中發現了異常高含量的氮元素,這為超大質量恆星的存在提供了有力支持。

研究團隊指出,雖然在其他一些遙遠星系中也曾觀測到高氮含量,但 GS 3073 的氮含量之高,已無法用已知的恆星類型或宇宙事件來解釋。

IT之家註:宇宙第一代恆星,天文學上稱為「第三星族星」(Population III stars),誕生於由氫、氦等原始氣體構成的巨大星雲中。這些恆星的質量極為龐大,可達太陽的數百甚至數千倍。

它們雖然燃燒得極為明亮,但生命卻異常短暫,最終以劇烈的超新星爆發終結,並將內部合成的重元素(天文學中的「金屬」)拋灑到周圍空間。

儘管這些恆星早已消亡,但它們留下的獨特化學印記卻能長久保存在其宿主星系中。理解第三星族星如何創造和散播元素,成為破解 JWST 新發現化學謎團的核心。

為了解開 GS 3073 星系的氮過量之謎,由弗吉尼亞大學的德韋什・南達爾(Devesh Nandal)領導的團隊利用先進的恆星演化模型進行了模擬。

研究團隊追蹤了質量為太陽 1000 至 10000 倍的超大質量第三星族星從誕生到消亡的全過程,分析其在不同核燃燒階段的元素產出。

模型結果清晰地表明,只有在此質量範圍內的第三星族星,才能在其短暫的生命周期內快速產生並釋放出超量的氮,同時保持其他元素的豐度相對穩定。質量低於此範圍的恆星無法產生足夠高的氮氧比,而質量更高的恆星其氧氫比又過低,這為解釋 GS 3073 的化學成分劃定了精確的恆星質量區間。

這項研究首次在紅移 z = 5.55 的水平上,通過化學豐度確鑿地證實了第三星族星對其宿主星系的影響。GS 3073 中獨特的氮元素富集特徵,成為了證明超大質量第三星族星曾經存在的「化學指紋」。

研究團隊指出,宇宙中可能還存在氮過量程度更高的星系,未來的 JWST 觀測有望發現它們。近期,另一項針對 LAP1-B 星系的研究也從形成環境和質量分布的角度為第三星族星的存在提供了理論支持。這兩項獨立研究共同為利用 JWST 探索宇宙黎明、尋找第一代恆星奠定了堅實的基礎,宣告著這些神秘的宇宙先驅已不再遙不可及。

然而,這一結論並非沒有爭議。劍橋大學的羅伯托・馬約利諾(Roberto Maiolino)提出,第三星族恆星理論上應形成於幾乎沒有重元素的「原始環境」中,而 GS 3073 在化學上已是一個相當「成熟」的星系,兩者環境似乎不符。

不過,愛爾蘭梅努斯大學的約翰・里根(John Regan)反駁稱,早期宇宙的觀測本就充滿了各種奇特現象,因此不能因為超大質量恆星「太奇怪」就否定其存在的可能性。


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