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韋伯望遠鏡助中國科學家發現宇宙第一代恒星,它們是如何形成的?

2024-08-02科學

大家都知道太陽已經有50億年的歷史,但是宇宙已經有138億年,所以在太陽誕生之前,宇宙就已經演變了88億年。實際上天文學家認為最早在宇宙誕生5,000萬到1億年後,第一代恒星就出現了。

那麽我們能看到宇宙中誕生的第一批恒星嗎?這當然是可以的!據【科技日報】7月31日報道:中國科學院大學的一個天文學研究團隊基於詹姆士·韋伯空間望遠鏡(JWST)近紅外光譜儀采集的數據,分析出了一個132億年前的高紅移星系的星族與星際介質的物理性質。並且認為該星系中應該存在宇宙誕生後的第一代恒星天體。

現代宇宙學理論認為宇宙是發生在138億年前的大霹靂中誕生的,之後也經過了1~2億年,宇宙中的第一代恒星開始發出宇宙中最早的光輝,點亮了宇宙的星火。

不過宇宙中誕生的首批恒星大多數都是大品質恒星,品質在太陽的10倍以上,其星體活動劇烈,內部能透過核融合迅速制造各種重元素,特別是大量的金屬元素,但是這類大品質星體的主序星階段都很短暫,大多數都不超過1億年,多數在幾百是幾千萬年,其中的一部份會透過超新星爆發瞬間產生鐵以及比鐵更重的元素,但也有一些會形成黑洞。

但是要找到宇宙誕生後的首批恒星實在太難了,因為這些古老的恒星有可能被一些中性瓦斯雲包裹著,但富含首批恒星的古老星系則更容易被發現。

中國科學院大學的研究團隊就是利用了目前全球最先進的光學空間望遠鏡,美國航空航天局、歐洲航天局和加拿大國家航天局聯合研發的紅詹姆士·韋布空間望遠鏡的觀測數據,在遙遠的宇宙深空中發現了一個含有強大紫外放射線源的星系,並且認為這些紫外放射線源可能來自該星系中的首批大品質恒星活動。

在研究中,該團隊進行了精細的光致游離模型模擬實驗,發現這個星系的光譜等特性與含有早期大品質恒星的假設相符,即該星系包含第一代恒星和早期的後代恒星。相關研究成果已經線上發表於【天體物理學雜誌快報】。

那麽這個星系中是如何出現第一代恒星的呢?一般認為,第一批恒星形成於宇宙初始階段密度較大的瓦斯雲中,在這些以氫和氦為主的瓦斯雲中,物質富集的區域中重力也會逐漸增強,而在自身重力的作用下,瓦斯雲核心位置的密度會越來越大,壓力作用下它會開始坍塌,形成星體的最初形狀。

在坍塌過程中,原子運動速度加快,相互碰撞並轉化為熱能,使瓦斯雲的溫度和壓力不斷升高。當星體中心的溫度達到大約為1000萬攝氏度時,氫原子開始發生游離並行生核融合反應,並釋放出巨大的能量,第一代恒星也就由此誕生了。

恒星內部核融合產生的能量以放射線的形式向外傳播,形成恒星的光和熱。同時,放射線壓力與重力也會達到平衡,從而阻止了瓦斯雲的進一步坍塌,這使恒星得以穩定存在。

值得一提的是,由於第一批恒星中沒有重元素(如氧、碳等),它們的放射線能力相對較弱,因此不能迅速冷卻。這意味著只有更大、更重的團塊才能形成恒星。因此,第一批恒星的平均品質是太陽的10倍左右,有的甚至達到太陽品質的數千倍,只有極少數品質較小的恒星和太陽類似。

不同品質恒星的存在時間不同,最後形成的星體也不一樣,在太陽品質30倍以上的星體,存在時間通常在2,000萬年以下,最後會形成黑洞。在太陽品質8~30倍以下的星體存在時間在3億年以下,最後會形成中子星;在太陽品質0.8~8倍的星體存的時間在200億年以下,最後會形成白矮星;在太陽0.8倍以下的則可以存在數百甚至數千億年,是在宇宙早期形成的這類恒星至今大多數仍然存在。

因此,中國科學院大學的天文研究團隊新發現的高紅移星系中存在的第一代恒星,其數量應該也是極少的。

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