科学家们开始理解宇宙中第一批恒星是如何爆炸的

宇宙中第一批恒星非常热且质量巨大，通常是太阳质量的数百倍。由于它们是在大爆炸后仅几亿年形成的，这些炽热的巨星几乎不含比氢和氦更重的元素，当时只有这些材料容易获得。

但由于它们巨大的身形，第一批恒星也生命短暂而结局悲壮——仅仅存在了数百万年，就以强大的超新星形式爆炸。当这些第一批恒星迅速耗尽燃料时，它们将轻元素锻造成碳、铁和锌等重元素。

然后，在它们戏剧性的死亡过程中，它们将物质炸向太空，为下一代恒星播下了重元素的种子。尽管天文学家们尚未直接探测到任何这些早期巨星，但他们已经发现了它们存在的证据。

现在，本周发表在《天体物理学杂志》上的一项新研究表明，这些炽热的巨星之所以特别，还有另一个原因：当它们爆炸时，它们并非只是像普通球形超新星那样爆发。相反，这些爆炸产生了剧烈的喷流，以每秒9000万英里（1.45亿公里）的速度喷射物质——大约是光速的13%。

研究人员说，这些喷流使得一些被困在恒星内部的重元素（称为金属）得以进入邻近的星系，包括初生的银河系。

“这是第一个观测证据表明，早期宇宙中发生了这种不对称的超新星事件，”麻省理工学院的研究员、该研究的首席作者Rana Ezzeddine在新闻稿中说。“这改变了我们对第一批恒星如何爆炸的理解。”

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为了进行这项研究，研究人员使用了哈勃空间望远镜上的宇宙起源光谱仪来研究一颗名为HE 1327-2326的奇特恒星，它位于距离地球约5000光年远的银河系晕中。

虽然第一批恒星被称为III型星，但HE 1327-2326属于下一波恒星，称为II型星。与III型星一样，II型星也相对缺乏重元素；然而，它们确实含有一些。

“作为第二代形成的较小恒星至今仍然存在，它们保存着这些第一批恒星留下的早期物质，”麻省理工学院的物理学家Anna Frebel说，她早在2005年就发现了HE 1327-2326。“我们的这颗恒星[HE 1327-2326]只含有少量的氢和氦以外的重元素，所以我们知道它一定是在第二代恒星中形成的。”

在这种情况下，“少量”可能是一种夸张。直到2014年，HE 1327-2326一直是已知铁含量最低的恒星，铁通常是恒星中金属总含量的指标。事实上，HE 1327-2326的相对铁含量比太阳低数十万倍。

但尽管铁含量不足，研究人员发现HE 1327-2326的锌含量却出人意料地高。“我记得收到数据，看到这个锌线冒出来，我们简直不敢相信，所以我们一遍又一遍地重新分析，”Ezzeddine说。“我们发现，无论我们如何测量，都得到了非常强的锌丰度。”

在确认HE 1327-2326富含锌后，研究人员开始确定原因。为此，他们进行了数万次III型星爆炸并为下一代恒星播种的模拟。虽然许多球形超新星的模拟准确地再现了HE 1327-2326中极低的铁含量，但它们都未能复制观测到的锌信号。这有效地排除了球形超新星向HE 1327-2326提供额外锌的可能性。

相反，他们得出结论，HE 1327-2326之所以能获得如此多的锌，同时铁含量又如此之低，唯一可能的方式是原始的III型星以不对称的方式爆炸，并以极具威力的喷流将锌喷射出去。

“当恒星爆炸时，一部分恒星会被黑洞吸入，就像真空吸尘器一样，”Frebel说。“只有当你有一个机制，比如一个喷流可以抽出物质，你才能在下一代恒星中观察到这些物质。我们相信这正是可能发生的事情。”

但这些III型超新星之所以特别，不仅是因为它们产生了喷流，而且它们比我们今天看到的多数超新星威力更大。

“我们发现，这第一次超新星比人们之前认为的要更具能量，大约是五到十倍，”Ezzeddine说。“事实上，之前关于存在较弱超新星来解释第二代恒星的观点可能很快就要被淘汰了。”

“现有的假说是：也许这种第二代恒星形成于这些被污染的原始系统中，而不是像我们一直假设的那样，形成于超新星爆炸本身所在的同一个系统，而且我们从来没有考虑过其他可能性，”Frebel说。“所以，这正在为早期恒星的形成开辟一条新的途径。”