宇宙早期失落的恒星仍在等待被发现

本文刊登于 2021 年 3 月/4 月的《Discover》杂志，标题为“寻找失落的光”。如需了解更多此类文章，请成为《Discover》杂志的订阅者。

我从未想过成为一名天体物理学家。当我的许多同事们通过业余望远镜观察时，我却梦想着解读象形文字，并在新发现的古埃及陵墓中拂去隐藏的文物上的灰尘。

对于大多数年轻的埃及爱好者来说，有一个故事比任何其他故事更能捕捉到古埃及发现的激动人心之处：图坦卡蒙墓的发现。1922 年 11 月，英国考古学家霍华德·卡特举着一根蜡烛，透过墓门的一个小钻孔往里看。他的赞助人卡纳封勋爵问他是否看到了什么，卡特惊得说不出话来，只能回答：“是的，奇妙的东西，奇妙的东西！”他后来回忆说，在昏暗的烛光下，“房间的细节慢慢地从迷雾中显现出来……奇特的动物、雕像和黄金——到处都是金光闪闪。”

图坦卡蒙安息之地的揭幕之所以非同寻常，是因为这种发现的稀有性。大多数时候，当一个陵墓被“发现”时，盗墓贼早已捷足先登，有时甚至是在数千年前。古埃及人很快就意识到，如果你用一座巨大的金字塔来标记埋藏宝藏的地方，宝藏就无法长久地埋藏下去。他们开始将国王、王后以及随葬的宝藏秘密地埋在地下，但即使这样也无法保证他们的宝藏安全，图坦卡蒙成为了一个罕见的例外。

这听起来可能很奇怪，但对古代陵墓的搜寻与我们对第一批恒星的搜寻是相似的。自从那些最早的恒星“长眠”以来，宇宙已经发生了巨大的变化。它们形成的原始环境已经被侵蚀，被插足的年轻恒星及其混乱的超新星所污染，几乎没有发现新的恒星陵墓的余地。

第三星族恒星，正如这些最早的恒星被称为的那样，是远古巨兽，质量高达太阳的数百倍。它们生命短暂，寿命只有数百万年，而像太阳这样质量较小的恒星寿命可达 100 亿年。在人类学中，如此多样化的寿命相当于发现一种早期的类人猿物种，它在出生后三天内就衰老死亡。然而，在如此短暂的生命中，正是这些恒星对改变宇宙负有最大的责任。当它们爆发生命时，它们照亮了宇宙，辐射了它，并为其播下了金属的种子，这些金属随后形成了恒星、行星以及我们。

迄今为止，天文学家仍未找到第三星族恒星。那么，它们在哪里呢？我们工具的局限性以及银河系中的污染使得寻找这些古代天体变得困难。但近年来取得了一些有希望的发现——它们指向第三星族恒星的后代，并希望有一天能找到它们的起源。

天空中存在的金属

搜寻工作本不该如此艰难。毕竟，星光闪烁的光芒很难错过，而且我们在银河系中并不缺乏搜寻之地。然而，恒星的普遍存在也成了一个问题，在银河系数十亿颗恒星中寻找一颗第三星族恒星，就像在德克萨斯州的一个跳蚤市场里寻找真正的古埃及文物一样。你可能会幸运——但很可能你会沮丧地离开，戴着一顶破旧的二手牛仔帽。

对于人眼来说，一颗 130 亿年前诞生的恒星看起来与一颗 40 亿年前诞生的、质量相似的恒星几乎没有区别。但对于天体物理学家来说，确定恒星的金属含量很重要，因为最早的恒星是不含金属的。我们通过测量恒星中特定金属所占的比例（基于光谱中金属吸收线的强度），并将其与太阳中的同一数量进行比较来评估金属含量。一颗贫铁恒星比太阳含有更少比例的铁，即使这颗恒星非常大，其铁的质量或原子数量也更大。

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Terri Field

有很多金属可供选择，但铁产生的吸收线很强，光学望远镜最容易测量，而且事实证明，铁也是衡量整体金属丰度的良好指标。一般来说，如果一颗恒星中铁的比例或丰度低于太阳，我们就称之为贫金属，而任何铁含量更高的则称为富金属。

我们周围看到的恒星是富金属的，因为它们是由前超新星已经播撒了金属的原始气体形成的。今天形成的恒星的金属总含量通常占质量的 2% 左右；只有 2%，但我们称它们为富金属！值得记住的是，氢在恒星中永远是主要成分，远超其他。第三星族恒星和今天恒星的区别仅仅是“装饰”，但它带来了巨大的不同。

随着我们搜寻更古老的恒星世代，金属含量会逐渐降低，直到我们面对极低的金属丰度，需要使用最高级的标签来描述。事实上，恒星考古学家很少对任何金属含量低于太阳铁含量万分之一的恒星感兴趣：即超贫金属恒星。

一丝铁

截至 2020 年中期，只有少数几颗恒星的铁含量被观测到低于万分之一。望远镜的技术限制或来自其他恒星的干扰会在我们的光谱线中引入令人信服的伪影，而恒星考古学家为理解和消除这些污染所做的分析是至关重要的工作。

目前已测得铁含量最低的恒星是 SMSS J1605-1443。这颗巨型贫金属光晕恒星于 2018 年被发现，其铁含量不到太阳铁含量的百万分之一。这是极低的，那么它就是我们的第三星族恒星吗？不幸的是，不是。该恒星光谱中存在其他重金属的含量太高，它无法仅凭自身产生所有这些金属——它一定是借助了之前的超新星，用一套金属“入门工具包”播撒了它形成的原始气体。这相当于几乎完美地伪造了一个埃及木乃伊，但在它的手腕上留了一个智能手表。

在 SMSS J1605-1443 中检测到的铁含量很低，但确实存在。然而，有一颗恒星完全没有检测到铁，只能设定一个上限：SM0313-6708，于 2012 年被观测到。2013 年对 SM0313-6708 的高分辨率光谱分析显示……几乎什么都没有。与一长串吸收线不同，这颗恒星几乎没有显示出任何活动，只存在四种金属：锂、碳、镁和钙。在我们本应看到与铁存在相关的凹陷的地方，却只有一条粗线，表明没有铁。以我们现在的技术，我们无法绝对确定在信号的整体噪声中没有隐藏着一个微小的凹陷。但我们可以肯定的是，我们看到的是一颗比太阳贫铁至少一千万倍的恒星——而且可能远不止于此。

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Terri Field

这听起来很有希望。我们找到了一颗似乎完全没有铁的恒星，那么这肯定就是我们的第三星族恒星了吗？嗯，不幸的是，又不是。虽然只检测到四种金属元素，但发现的丰度仍然很高，无法仅由第一代恒星内部的核聚变产生。然而，这已经非常接近了。在 SM0313-6708 中检测到的金属含量如此之低，以至于模型显示它可能仅由一次超新星富集的气体云形成。因此，我们在这里看到的不是第三星族恒星，而很可能是其第一代后代。但并非所有的希望都已破灭。

新的希望？

我们有充分的希望有一天能挖掘出一颗幸存的第三星族恒星。虽然平均而言，第三星族恒星被认为质量是太阳的几十到数百倍，但模拟显示，同一时期也产生了一批低质量恒星。质量越大的恒星，寿命越短，因此质量只有太阳 80% 或以下的恒星可能仍然存在于今天。发现它们并不容易，但我们认为银河系的光晕是寻找它们的好地方，因为那里的年轻恒星污染较少，而那些古老的第三星族恒星很可能已经从盘面迁移到光晕中了。

恒星考古学取得了显著进展：科学家们已经深入到铁丰度为太阳万分之一的水平，甚至达到了完全探测不到铁的程度。随着我们开发出更有效率的技术来从数十亿个候选恒星中挑选出最有希望的恒星，我们希望能够增加贫金属恒星的样本量，并就形成它们的超新星事件的多样性得出更可靠的结论。

但是，无论我们多么努力地寻找某些文物，我们都无法指望找到更多。数千年的磨损会摧毁大多数织物、食物和木制工具。如果今天确实存在低质量恒星种群，它们很可能已被污染，隐藏起来，而且我们能否克服这一点，比我们已经取得的进展更大，这是一个悬而未决的问题。

我们可能还没有探测到第一颗恒星，那颗无金属的恒星，但我们已经探测到了我们认为是第一代后代——那颗连接了无金属和贫金属恒星种群的恒星。这不是失败。虽然我们都想见到胡夫，问他金字塔是如何建造的，宝藏埋在哪里，但我敢肯定，我们都会满足于和克利奥帕特拉聊聊天——不过说实话，关于古埃及我最喜欢的一个事实是，我们与克利奥帕特拉的时代距离，比克利奥帕特拉与金字塔的时代距离要近。恒星考古学的未来远未结束。它刚刚起步，随着 SM0313-6708 的发现，当我们举起蜡烛仰望星空时，我们看到了一丝微弱的金色闪光——或者我应该说是铁？

艾玛·查普曼 (Emma Chapman)是皇家学会杰出的研究员，在伦敦帝国理工学院从事天体物理学研究。她利用世界上最大的射电望远镜寻找来自第一批恒星的信号。