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    宇宙中的那些第一代發光天體

    來源:光明網作者:岳斌責任編輯:安思翰
    2020-10-26 16:29

    現在,大家已經基本接受了這樣的觀念:宇宙并不是從來都是這個樣子的,而是一直在演化,其中的天體也不是與生俱來的,而是經歷了從無到有,從少到多的過程。

    那么,現在宇宙中那些我們熟知的發光天體:恒星、星系、黑洞等等,它們最早是怎么來的呢?我們的銀河系非常古老,其中最老的恒星有一百多億歲。宇宙中最早的發光天體必然形成于更早的時期,那時的宇宙還是一個小孩兒。

    宇宙的演化歷史。宇宙的年齡約137億年,第一代發光天體大概形成于宇宙年齡在幾千萬年到幾億年之間,在這之前宇宙經歷了一段所謂“黑暗時期”(圖源:NASA)

    第一代恒星

    現在宇宙中的恒星基本都在星系里,雖然星系之外也有一些“流浪”的恒星,但是它們原本也是在星系之內的,只不過在發生星系互相碰撞的時候,被撞的拋了出來。但第一代恒星并非如此,它們不是在星系里形成的?;蛘哒f,那些宇宙中最早的一批恒星,當它們形成的時候,星系還沒有形成。

    第一代恒星形成的時候,宇宙還非常年輕,暗物質在密度高的地方結團,形成暗物質暈,氣體也隨之聚集在一起。這時候,這些氣體的元素只有氫、氦和少量的鋰,其它的元素還沒有形成,可供氣體冷卻的途徑相對較少,主要通過氫分子冷卻。氫分子的冷卻效率不算高,不能把氣體冷卻到很低的溫度,在收縮的過程中氣體也不容易碎裂。

    最終的結果是一個暗物質暈內只能形成一個或者若干個恒星。顯然,這樣的“恒星集團”被稱為星系是不合適的,作為比較,大家可以參考我們所居住的銀河系,銀河系里有著約1000億顆恒星!

    左圖,第一代恒星的藝術想象圖;右圖,銀河系的藝術想象圖。早期宇宙中,一個小質量的暗物質暈里往往只能形成一個或幾個恒星,而現在的宇宙里,單單我們銀河系中就有多達1000億顆恒星(圖源:左圖https://kipac.stanford.edu/media/first-starlight,右圖NASA/JPL-Caltech)

    雖然形成的第一代恒星數量較少,但是就單個恒星而言,質量卻比我們銀河系里最常見的恒星要大得多,可以達到太陽的幾十倍甚至幾百倍,也有人認為可以達到上千倍。第一代恒星的表面溫度也更高,能到十萬開以上(太陽的表面溫度只有約6000開),因此發出的光也更“硬”(高能部分占比大)。同時,它們的大氣中也不含金屬譜線。當然,它們壽命也比較短,只有幾百萬年。

    以上這些獨有的特征,使得第一代恒星在觀測中很容易被區分出來。遺憾的是第一代恒星形成在宇宙很早的時候,大致在宇宙年齡為幾千萬年到幾億年之間。因此它們離我們十分遙遠且十分黯淡。

    例如,一顆100倍太陽質量的第一代恒星,如果形成在宇宙年齡為3億年的時候,它現在離我們約300多億光年(沒錯,這個數比宇宙年齡乘以光速大,這是宇宙膨脹造成的效應),此時它的亮度只有約40等,比哈勃望遠鏡能夠看到的最暗的星星還要暗一萬倍,很顯然沒法被現在的望遠鏡觀測到。

    不過,第一代恒星爆發產生的超新星會非常亮,有可能被下一代的望遠鏡捕捉到。即將發射的,作為哈勃望遠鏡的繼承者的詹姆斯·韋伯望遠鏡(JWST),其科學目標之一就是捕捉來自第一代恒星的超新星爆發。

    數值模擬給出的第一代恒星超新星爆發之后的情形。這個超新星的前身恒星的質量為200倍太陽質量,總共釋放了約1052爾格的能量。一顆這樣的超新星爆發,拋出的物質傳播的距離就可以達到銀心到太陽距離的約四分之一(圖源:Greif等人2008年的研究論文)

    了解第一代恒星還有另外一種途徑,就是在我們的銀河系內尋找古老的極端貧金屬星。相對于第一代恒星(這樣的短命的龐然大物)而言,這些極端貧金屬星是一些小不點,但是壽命非常長,可以一直存活到現在。它們本身不是第一代恒星,但是它們大氣里的金屬可能來自于第一代恒星,它們好比化石一樣,記錄了早期宇宙的信息。

    詹姆斯·韋伯望遠鏡(JWST)的探測范圍可以達到紅移約20,有可能捕捉到第一代恒星的信息(圖源:NASA)

    第一代恒星形成之后,會產生一些對后續新恒星的形成不利的因素,這稱為“反饋”效應。比如它們產生的輻射可以破壞掉能冷卻氣體的氫分子,電離和加熱附近的氣體,它們的超新星爆發可以把氣體吹到暗物質暈的外面。這些都不利于后來的恒星繼續形成,因此初期的第一代恒星形成模式幾乎是“一錘子買賣”。

    當一顆或者一批第一代恒星形成之后,除非在它們死亡之后再經歷足夠長的時間,否則在同一個或者附近的暗物質暈里,很難再有新的恒星形成。我們一般認為第一代恒星的形成是“self-limited”模式,即在有限的體積內,第一代恒星的數量會有一個上限。當然,這個上限到底是多少,我們目前還不清楚,只能期待未來的觀測能夠回答。

    在宇宙演化中,第一代恒星起到了一個很重要的作用,就是它的超新星爆發提供了最早的金屬元素,含有金屬的氣體能夠更有效地冷卻,從而形成下一代的恒星。

    第一代星系

    隨著宇宙繼續演化,當暗物質暈的質量再大一些的時候,一種新的、效率更高的冷卻機制開始發揮作用,同時暗物質暈內的氣體也更多。于是,恒星就可以批量形成了。

    更重要的是,由于暗物質暈更大,引力勢阱更深,反饋效應并不能完全抑制住恒星的形成,而是努力尋求跟恒星形成的過程達成平衡的狀態。這樣,在暗物質暈里面,恒星的形成不再是“一錘子買賣”,而是一個持續的過程。這是第一代星系形成的一個標志。

    恒星持續形成的結果就是,星系里面的恒星既有年輕的、也有年老的,如同我們的銀河系那樣,最老的恒星有一百多億歲,而最年輕的才剛剛形成。

    第一代黑洞

    人們現在已經觀測到了許許多多不同種類的黑洞,比如銀河系里有很多恒星級黑洞,某些矮星系中心可能存在中等質量的黑洞,以及活動星系核中心的超大質量黑洞等等。那么,宇宙中的第一代黑洞是什么呢?

    一般來說,黑洞的形成需要恒星的形成作為前置條件(這里不考慮暴脹產生的原初黑洞)。恒星耗盡燃料之后,其中心部分缺少壓強支撐,在引力作用下坍縮成黑洞,這是人們最熟悉的黑洞形成圖景。因此第一代恒星死亡之后形成的黑洞自然就是第一代黑洞。

    黑洞是一種依然神秘的天體。星系中心的超大質量黑洞有的很安靜,幾乎不發出任何輻射,有的則非?;钴S,不斷吞噬周圍的物質,發出劇烈的輻射。目前人們依然沒有弄清超大質量黑洞的起源(圖源:NASA/JPL-Caltech)

    這些黑洞的質量跟恒星差不多,它們像種子一樣,一旦遇到合適的條件,即充足的氣體供應,就會長大,最終從幾十倍太陽質量的恒星級黑洞成長為十億甚至百億倍太陽質量的超大質量黑洞。當然,這個過程可能會十分漫長,并且可能被打斷。詳細的研究表明,恒星級黑洞很難順利成長為超大質量黑洞,因此,人們并不確定超大質量黑洞的種子是否來自于第一代恒星。

    除了上面說的這種途徑之外 ,還有另外一種途徑也可以形成第一代黑洞。在一個從來沒有經歷過恒星形成且質量比較大的暗物質暈里,如果它的氫分子被外界的輻射破壞掉了,氣體將始終維持較高的溫度且無法碎裂。這種情況下,氣體的中心部分可以直接坍縮成一個黑洞,或者中心部分先形成一個超大質量恒星,之后再坍縮成黑洞。

    第二種途徑形成的黑洞被統稱為“直接坍縮黑洞”。它們的質量在剛誕生的時候就可以達到一萬倍到一百萬倍的太陽質量,屬于我們常說的中等質量黑洞。如果把這些直接坍縮黑洞做為種子,再成長為超大質量黑洞就容易地多。

    “直接坍縮黑洞”雖然解決了超大質量黑洞的增長問題,但它本身的形成條件卻十分苛刻。首先,需要暗物質暈的質量比較大但又不能太大。另外,還要求它里面的氣體始終保持“純潔”,即不受外界的金屬污染和電離輻射的影響,但同時又能有足夠強的其它輻射來破壞掉氫分子。這就要求在它的附近,有一個既不能太近又不能太遠的恒星或者星系。宇宙中有多少暗物質暈能滿足以上所述條件,這是有疑問的,因此直接坍縮黑洞的數量也難以估計。

    這兩種第一代黑洞形成的途徑,到底哪一個給超大質量黑洞提供了種子,只能留待將來的觀測來回答。

    兩種第一代黑洞形成的途徑,上為第一代恒星死亡之后形成的恒星級黑洞,下為直接坍縮形成的中等質量黑洞(圖源:張萌后期處理)

    直到現在,并沒有任何直接坍縮黑洞被觀測到,可能是因為它們既稀少又黯淡。直接坍縮黑洞的光譜與普通的星系及類星體相比,是有一些差異的,因此可以通過測光觀測進行初步的候選體篩選,然后再進行細致的光譜觀測來甄別。

    目前,利用哈勃望遠鏡和錢德拉望遠鏡,科學家們已經挑選了一些可能是直接坍縮黑洞的天體,作為候選體留給以后更強大的望遠鏡做進一步觀測。當然也有一些曾經大家以為是直接坍縮黑洞的候選體,經過進一步觀測之后被排除掉了。未來,JWST望遠鏡有可能將篩選直接坍縮黑洞的候選體作為科學目標之一。

    此外,直接坍縮黑洞也可能形成雙黑洞,這樣的雙黑洞互相繞轉,會產生頻率較低的引力波,也可作為新一代空間引力波實驗的探測目標,例如我國的“太極”計劃和“天琴”計劃。

    作者簡介:岳斌,國家天文臺研究員,主要從事再電離、第一代發光天體等相關研究。張萌,國家天文臺在讀博士生,主要研究方向為直接坍縮黑洞的形成。

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