恒星考古学

考古学家和天文学家似乎没有什么共同点。一个挖掘大地，另一个仰望星空；一个由直立人挥舞过的石器，与可见宇宙边缘的爆炸恒星截然不同。但这两门科学在本质上是相似的：两者都试图通过深入了解过去来理解现在，无论是人类物种的起源还是宇宙的起源。

对于一些天文学家来说，两者之间的相似之处更为紧密。宇宙最伟大的谜团之一是，第一批恒星是如何、何时、为何从大爆炸后的黑暗中闪耀而出。没有人确切知道那些第一批恒星是什么样子，或者它们是如何生与死的。但它们的出现为之后的一切——夜空中闪耀的所有行星、恒星和星系——奠定了基础。理解了第一批恒星，你就理解了宇宙是如何形成的。

时间和空间的差距如此之大，以至于即使是最强大的望远镜也无法看到那些第一批恒星发出的微弱光芒。但在近年，一类新型的天文学家——恒星考古学家——意识到，可以通过研究我们身边的银河系内部和周围来理解它们。通过检验附近最古老恒星的化学成分，他们开始了解这些恒星形成时的条件，这些条件部分是由更早出现的、短暂而巨大的第一代恒星创造的。“我们仍然可以看到它们的环境影响，这些巨大恒星引入的污染，”哈佛大学天文学系主任 Avi Loeb 说。

好消息是，第二代恒星就在我们周围。“我们拥有的最好例子就在离我们几百光年之外，”诺特丹大学天体物理学教务长 Timothy Beers 说。“它们真的离我们不远，人们往往会惊讶于我们竟然可以通过如此近距离的观察来理解遥远的过去。”

寻找第二代

然而，仅仅因为它们近，并不意味着这些第二代恒星很容易找到。事实上，“它们非常罕见，”Loeb 说。在银河系的旋臂中，大多数恒星，包括太阳，形成于更晚的时候，当时宇宙已经步入中年，大约在 40 亿到 60 亿年前。即使在银河系的核心，那里形成得更早，找到古老恒星的几率也最大，Loeb 说，“它们仍然占所有恒星不到 1%。”因此，仅仅识别出哪些恒星确实古老，是第一步，也是棘手的一步。

一个关键因素区分了一颗古老的恒星和像太阳这样的年轻恒星：它的成分。从大爆炸中产生的元素只有氢、氦和微量的锂，所以第一代恒星必然是由这些组成的。

更重的元素——包括氮、氧、铁、碳等等——是在第一批恒星的核心的核熔炉中锻造出来的，然后当这些恒星爆炸时，它们被喷射到星际空间。“令我惊叹的是，”Beers 说，“我们今天所熟知的碳基生命所依赖的元素，是由第一代恒星产生的。”

这些释放出来的重元素，天文学家称之为“金属”（即使是氧气在天文学家的术语中也是金属），污染了漂浮在恒星之间的氢和氦。因此，第二代恒星将包含这些成分——Loeb 称之为“环境污染”。这些金属是恒星考古学家通过恒星的光谱或光信号来探测其成分而寻找的“化石”。

与现代恒星（如太阳）相比，第二代恒星的金属含量仍然较低，因为太阳的诞生星云在数十亿年的时间里被几代恒星富集了。因此，寻找最古老的现存恒星，就是在寻找那些只有最微弱杂质的恒星，通常用铁与氢的比例来表示。恒星越纯净——铁与氢的比例越低——它就几乎肯定越古老。

几十年来，天文学家偶然发现了这类恒星，却未意识到它们蕴含的考古价值。目前，“我们知道大约有 50 颗恒星的铁含量不到太阳的千分之一。而有六颗恒星——仅仅六颗——的铁含量不到太阳的万分之一，”Loeb 说。这表明它们可能在大爆炸后最多半亿年内就诞生了。

然后，在 2014 年 2 月，由澳大利亚国立大学的 Stefan Keller 领导的一个团队宣布发现了一颗铁含量最多只有太阳万分之一的恒星。“这是一颗在其光谱中完全没有铁的恒星，”加州大学圣迭戈分校的 Michael Norman 说。“从来没有人见过这样的恒星。”

这种缺铁表明，被称为 Keller 恒星的这颗恒星可能是迄今为止最古老的恒星，可能可以追溯到大爆炸后 2 亿年。这不仅是一项了不起的发现，而且它还改变了天文学家对第一批恒星的所有认知。

尽管缺乏铁，Keller 恒星却含有碳、氧和其他金属。Beers 说：“这是真正 remarkable 的事情。我们看到了一种模式，目前只能用第一代恒星种群来解释。”

理解第一代

起初，天文学家们简单地认为，当第一批恒星超新星爆发时，爆炸会将它们的内部物质均匀地向四周扩散。但即使在发现 Keller 恒星之前，他们就已经开始怀疑这种看法是否过于简化。

“我们在其他古老恒星中也看到了这种独特的元素模式，”Beers 说——铁含量非常少，但其他金属的含量却比预期的要多。这意味着：一些第一代或祖恒星如预期般均匀爆炸，但另一些恒星在死亡的挣扎中一定以某种方式保留了铁，同时允许较轻的金属扩散到宇宙空间。

这些较轻元素中的关键是氮。一些缺铁恒星（包括 Keller 恒星）含有相当数量的氮，而另一些则几乎没有。“我的猜测是，”Beers 说，“氮含量的这种变化告诉我们，我们看到了至少两种祖恒星类型的证据。”恒星考古学家发现了恒星中的尼安德特人，一个独立但相似的物种，与我们推测的祖先共存。

根据德克萨斯大学奥斯汀分校的 Volker Bromm 等理论家，缺铁富氮的第二代恒星来自一种特定的祖恒星类型，其质量是太阳的 10 到 100 倍。模拟显示，这些恒星会以剧烈的爆炸死亡，留下黑洞，黑洞会捕获最重的元素。“像碳、氧和氮这样的轻物质会逸出，”Bromm 说。

另一类第一代恒星，其印记在缺铁贫氮的恒星中可以看到，通常会更大，质量在 50 到 100 个太阳质量之间。（两类之间的明显重叠反映了数字的不确定性，但模型制作者确切地知道第二类恒星的质量会更大。）

“当质量如此巨大的恒星形成时，”Beers 说，“它们往往会高速旋转。”与第一组恒星不同，这些更大恒星中的金属会被搅动到上层，所以在恒星爆炸时会充分混合。这意味着留下的黑洞会吞噬代表性的元素混合物，而不仅仅是重元素——并且允许一些铁逃逸。由这些碎片形成的第二代恒星仍然会相对缺乏铁，就像任何其他古老恒星一样，但它们也会相应地缺乏氮。

所以，第一批恒星至少有两种不同的类型，天文学家还猜测存在一种更稀有的第三种类型，质量极其巨大，在 140 到 260 个太阳质量之间。这些巨大的恒星表面温度会达到数百万度，因此它们不是红热或蓝热，而是足以产生伽马射线的热量，伽马射线是能量最高的电磁辐射形式。物理定律规定，伽马辐射可以衰变成基本粒子对：电子和正电子。恒星的伽马射线会产生向外的压力，阻止巨大恒星坍缩，但一旦它们变成了粒子，这种向外的压力就会消失，导致灾难性的坍缩。这将触发巨大的超新星爆发，天文学家称之为“对不稳定性”超新星，这将向星际气体云以及从中形成的恒星添加它们自己略有不同的元素混合物。

根据哈佛大学的 Loeb 的说法，“寻找金属贫乏恒星的圣杯之一是找到这些早期对不稳定性超新星的证据。”果然，Beers 和一个以日本为主的团队在 2014 年的《科学》杂志上报道称，一颗名为 SDSS J0018-0939 的近距离恒星几乎可以肯定是带有这种爆炸化学特征的第二代恒星。

从古老恒星到古老星系

这种对原始恒星的三物种分类可能反映了大爆炸后出现的物体的混合，但实际证据相对稀少。然而，多亏了麻省理工学院的 Anna Frebel 等观测者，这种情况开始改变。她在 2000 年代初作为本科生，从老式的单星恒星考古学开始。

几年前，Frebel 意识到，一些绕着银河系运行的矮星系可能是古老恒星的特别丰富的来源。2014 年 4 月，她和两位同事在《天体物理学杂志》上宣布，他们找到了一个完美的候选对象。一个名为 Segue 1 的矮星系就悬在我们自己的星系边缘之外。早期宇宙的模拟表明，像这样的星系是最早出现的，因为氢和氦气体开始聚集。它们通过碰撞和合并，成为全尺寸星系的构建模块。

Segue 1 与其他矮星系的不同之处在于，它在第二代恒星出现时就停止了恒星的形成。天文学家不确定原因，但他们推测，这个微小星系早期就耗尽了为恒星诞生提供燃料的气体。无论原因是什么，这对像 Frebel 这样寻求更多关于这些古老恒星数据的研究人员来说，都是一个金矿。“我们认为，这个星系中的大多数，如果不是全部恒星，都是在大爆炸后仅一亿年形成的。而那，”她略显含蓄地说，“是非常古老的了。”

这意味着 Segue 1 可以极大地帮助理论家们获得他们完全理解各种第一代恒星所需的信息——这无异于一幅宇宙第一次闪耀时的全景图。这项工作非常艰苦，到目前为止，Frebel 和她的同事们只能确定 Segue 的大约一千颗恒星确实非常古老。

即使使用地球或太空中最强大的望远镜，探测这些遥远星系古老恒星的化学结构的精细细节也需要很多年。这是因为 Segue 距离很远（即使我们是相对的邻居），而且它的恒星比恒星考古学家迄今研究过的恒星要暗淡得多。“现在，”Bromm 说，“Anna 这样的人可能只有几张最亮恒星的高质量光谱。”但这种情况很可能会很快改变。

一项巨大的任务

恒星考古学家渴望使用将在 2020 年代初上线的新一代巨型望远镜，包括三十米望远镜、巨型麦哲伦望远镜等。过去，天文学家们发现足够的恒星来研究很困难。现在，随着 Segue 1 的发现——以及 Frebel 还在寻找其他古老星系——他们拥有的研究对象太多了。即将到来的望远镜，其集光能力是现有仪器的近 10 倍，应该能打破瓶颈。

“这是一个非常令人兴奋的时代，”Bromm 说。“我们现在有了这些高精度实验室”——也就是说，第二代恒星——“它们告诉我们宇宙在最初的时候究竟是什么样的，”他说。“在此之前，我们只是在估摸着。”很快，天文学家将拥有前所未有地详细研究它们的工具。

Loeb 同意。到目前为止，天文学家们都是直接研究宇宙的早期历史，试图观察越来越远的、更古老的光，以揭示宇宙最初是如何爆发成光的秘密。“现在我们正在我们自己的后院里进行宇宙学研究，”他说。

而且这正在获得回报。“我们对第一批恒星的出现和它们的样子这个故事的章节标题已经有了相当的掌握，”Beers 说。“现在我们开始写段落了。”

太阳的兄弟姐妹

大多数恒星考古学家都在寻找宇宙中第一批恒星的痕迹，但 Ivan Ramirez 对更近期的恒星感兴趣。他想找到太阳失散多年的兄弟姐妹——大约在 46 亿年前，与我们的家园恒星一起，从一团气体中凝聚而成的数百甚至数千颗恒星。

“如果我们能够弄清楚我们太阳及其行星形成的地方的详细特性，”他说，“我们或许就能找出这些条件是否与地球上生命的存在有关。”

起初，他并不看好成功的几率。“这是一个最有可能失败的项目，”德克萨斯大学奥斯汀分校的天文学家 Ramirez 说。尽管太阳的出生群体最初会聚集在一起形成一个松散的星团，但它们会逐渐分散。现在，Ramirez 说，“它们可能已经离我们几千光年远了。”

他和他同事们最初并没有指望他们 2012 年的初步搜索能找到什么；他们只是在测试他们最终将用于真正搜索的技术。因此，当团队发现一颗名为 HD 162826 的恒星时，这是一个令人惊喜的意外。

根据这颗恒星的位置和运动，他们计算出它在数十亿年前一定离太阳非常近。当他们分析它的化学成分时，匹配度惊人。这次试运行已经被证明是成功的。“真正的发现，”Ramirez 说，“只是一个额外的奖励。”

这项未来的搜索仍在进行中，Ramirez 希望改进的技术，包括欧洲空间局的盖亚卫星，将帮助他找到更多的太阳兄弟姐妹。“我们应该能够找到至少一半与太阳同时出生的恒星，”他说。

当他们找到时，他们最终将知道太阳失散多年的出生家庭是什么样子——以及我们太阳、地球和所有生活在这里的起源。