早期宇宙中 存在超过100倍太阳质量的恒星

第一代超大质量恒星演化成为“对不稳定超新星”的艺术展示图。 中科院国家天文台 供图

郭守敬望远镜。 中科院国家天文台供图

中国科学院(中科院)国家天文台赵刚研究员领导的国际团队率先在银晕恒星中发现第一代超大质量恒星演化后坍缩形成的“对不稳定超新星”(PISN)存在的化学证据。他们研究证实，该特殊超新星源于一颗质量高达260倍太阳质量的第一代恒星，刷新了人们对第一代恒星质量分布的认知。这一重要天文学发现及研究成果论文，6月7日在国际著名学术期刊《自然》在线发表，中外天文学家高度关注，并点评认为该成果对恒星起源、银河系演化等研究意义重大、影响深远。

证明早期宇宙存在 超100倍太阳质量恒星

中科院云南天文台韩占文院士指出，在宇宙大爆炸之后，第一代恒星形成，它们仅由氢和氦组成。通过核聚变和超新星爆发，第一代恒星创造了新的元素，这是构成多彩世界的第一步。理解第一代恒星的性质，对于认识恒星、星系和宇宙大尺度结构的形成至关重要。

韩占文表示，在过去几十年当中，全世界科学家都在苦苦追寻第一代恒星。经过不懈努力，中科院国家天文台天体丰度与星系演化团队从郭守敬望远镜(大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜，英文缩写LAMOST)巡天数据中发现早期恒星，并利用日本昴星团望远镜(Subaru)精确测量其元素丰度。他们发现第一代恒星“对不稳定超新星”爆发产生的特征元素丰度。这是迄今发现的最清晰的此类超新星的证据，证明在早期宇宙中，确实存在超过100倍太阳质量的恒星。

第一代恒星研究 最近十年最重要成果之一

美国圣母大学教授蒂莫·比尔斯(Tim Beers)认为，《自然》发表的这篇天文学论文是最近十年来第一代恒星研究领域最重要的成果之一，“我们也一直在搜寻那些保留了第一代恒星特征的恒星”。天文学家普遍认为恒星很难形成于只含有氢和氦的环境之中，因为在缺乏金属(天文学上称氢和氦以外的元素为金属)的环境中气体需要用很长的时间来冷却。宇宙中形成的超大质量恒星的质量必须非常大才能在气体足够冷却时得以形成。而这些超大质量恒星非常稀少，在这篇论文之前从未发现过相关的观测证据证明它们曾经存在过。

这类超大质量恒星的寿命很短，大约会在几百万年内变成超新星而终结，并留下特殊的化学印记。包括这篇论文的部分作者在内的理论学家预言了质量高于150倍太阳质量的恒星可能会留下这样独特的印记，但在这篇论文之前，这些印记从未被明确发现过。

揭示超大质量黑洞 形成的未知机制

日本国立天文台青木和光教授最近十年间，一直在利用郭守敬望远镜的海量光谱数据搜寻那些诞生于早期银河系的、非常古老的恒星，并利用昴星团望远镜确认这些恒星的化学成分，发现第一代超大质量恒星存在的证据是他们研究项目的一个主要目标。他说，本次研究发现的这颗恒星具有极为独特的元素丰度，为证明第一代超大质量恒星的超新星爆发提供了最为清晰的证据。

北京航空航天大学日籍教授梶野敏贵是宇宙学和理论核天体物理专家，此前任职东京大学与日本国立天文台时，就与中国天文学家基于郭守敬望远镜巡天数据开展十多年合作。他认为，本次发现以及未来许多可预期的发现，将会揭示早期宇宙中超大质量黑洞形成的未知机制。

见证了中国郭守敬望远镜和日本昴星团望远镜多年的成功合作，“我想说，今天的成就是这支国际团队通力合作的成果”。日中望远镜合作小组现已站在国际天文界光谱观测领域的前沿，“我们期待亚洲天文学家能够取得更多的重大发现。”梶野敏贵说道。

首次给出“对不稳定超新星” 爆发关键证据

清华大学物理系教授王晓锋表示，超新星爆发时把恒星演化时合成的元素以及爆发时形成的更重的元素抛射到星际空间中，从而极大改变爆发星体周围的星际气体的物质成分。这些气体受到超新星爆发喷射出的重元素污染而变得比之前金属元素含量高很多，气体在引力的作用下重新凝聚形成新一代恒星也因此具有较高的金属含量，它们携带了父辈恒星演化及爆发形成的元素印记。这些元素印记能帮助追踪其父辈恒星的性质以及其爆发死亡的物理机制。“这好比我们通过查孩子的DNA能够追寻其父母的特性。”

王晓锋指出，赵刚研究团队此次发现的编号为LAMOST J1010+2358的极端贫金属星与已知其他贫金属星的金属元素分布特性有很大差异，这些差异无法用父辈恒星经历塌缩爆发的模型进行解释，分析表明其上代恒星属于第一代恒星经过了“对不稳定超新星”爆发。

他说，这项研究从非常独特的角度首次给出了宇宙早期大质量恒星经历过“对不稳定超新星”爆发的关键证据，对验证超新星爆发模型以及限制宇宙早期恒星形成理论均有极为重要的意义。

天文观测带来 意想不到的惊喜

赵刚研究员强调，这次研究发现第一代超大质量恒星的化学遗迹，虽然它与天文学家研究银河系并合形成的最初想法关系并非十分紧密，但对银河系化学演化至关重要。银河系化学演化正是其研究团队的重要研究方向之一，可以通过观测分析具有不同年龄恒星的元素丰度来再现银河系化学演化规律。

如果按照现在可观测的恒星质量分布，通过星系化学演化模型计算无法给出目前观测的结果。为解决这个难题，理论天体物理学家提出了一个假设，即宇宙大爆炸后形成的第一代恒星主要都是超大质量恒星，这些超大质量恒星可以快速合成出符合今天观测到的各种元素丰度。他们对各种大质量、超大质量恒星的演化及核合成产量进行详细计算，由此导致许多观测天文学家去极力搜寻这类超大质量恒星存在的证据，而此前一直没有真正找到第一代超大质量恒星存在的观测证据。

“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处。”赵刚援引中国古诗词经典名句说，天文观测经常会带给人们一些意想不到的惊喜，令人激动不已。至于本次重要天文发现是意料之外的惊喜还是多年来预定目标的实现，他认为，既有意料之中的结果，也有意料之外的惊喜，这也是天文学持久的魅力所在。