恒星考古学:第一代恒星的创世元年

考古学是结合地质与勘探的一门学科,如果我们不加理解,就会把它局限在地球表面,认为只有在地球上挖掘人类文明遗迹的行为才属于考古学。


其实,考古学已经延伸到了宇宙,甚至宇宙边缘和它的核心地带,这门学科就称为“宇宙考古学”。

而宇宙中最耀眼的星体无非是恒星,它们是茫茫黑暗宇宙中的灯塔,研究远古恒星的考古学则称为“恒星考古”或“近场宇宙学”。

如果说恒星是夜空中的明灯,那么寻找最早的一颗恒星,或者夜空中最早的一束光线,就成了宇宙考古学最令人着迷的研究方向了。

然而,宇宙年龄总共138.2亿年,真的能在这么长的时间跨度中寻找到最早的“第一代恒星”标本吗?或者换句话说,一百多年前诞生的第一颗恒星真的能存活那么久吗?我们需要利用科学的方法进行推测。

首先我们把时间拨回到宇宙大爆炸的诞生点,那里没有空间和时间,所有物质被压缩成质点,密度无限大,体积无限小。接着上帝拉开了宇宙诞生的总闸,大爆炸开始了,一切物质被投射到虚空当中,这些最基本的物质比原子甚至比夸克还小,但是相互聚合使它们逐渐变成基本粒子,接着又聚合成元素,元素构成原子,原子构成分子,然后聚合成“原初分子云”,原初分子云如同星云一般弥散在虚空之中,它们继续聚合成团块。

这些团块的温度很高,几乎是今天孕育恒星的分子云温度的三十倍,这就意味着,它们发生塌缩的临界质量要比后者高出一千多倍。


块状物在万有引力的作用下撞击形成各种天体或天体物质,这个时候,某种特殊的条件下,第一颗恒星诞生了,这已经离宇宙大爆炸将近4亿年之久。当然,诞生的肯定不是一颗恒星,而是一堆,我们统称为“第一代恒星”。恒星的引力更加强大,吸引大量行星围绕左右,于是恒星系和星系团孕育而生。

那时候的宇宙缺乏金属元素,或者根本就还没有诞生金属元素,到处都是氢和氦组成的较轻的物质,那么这样的恒星相对就脆弱一些。

另外一个不好的消息告诉我们,“挖掘”第一代恒星的任务可能面临理论上的困难。

科学家研究发现,原初分子云所构成的块状物可能非常大,而聚合成的恒星个头也会很大,比我们的太阳要大至少十倍甚至上百倍,这么巨大的火球是极为脆弱的。

由于物理规律的限制,体量巨大的恒星会极为不稳定,物质容易坍缩或抛射,导致其寿命缩短,不可能穿越百亿年继续在宇宙中有一席之地。那么,第一颗或第一代恒星就有可能根本已经不存在了,恒星考古学就将成为伪命题。

有科学家做出了回应,认为原初团块也许会发生分裂,分裂导致恒星可以维持较小的体量,具有较踏实的密度让它获得长寿。

但是也有另外一派科学家持相反意见,他们经过大量理论研究和数值模拟都将演算的终点指向一个结论,那就是原初团块不可能分裂,这意味着第一代恒星都是具有数十倍甚至数百倍于太阳质量的大块头。

体积决定寿命,胖子活得都不长命,接下来30亿年的岁月对它来说是漫长的考验。

恒星的死亡要么孤寂的坍缩成冰冷的白矮星,要么绚烂的毁灭,形成“超新星爆发”的壮美画面,再要么就继续坍缩成邪恶的黑洞···无论如何,我们都看不到完整的元老级恒星,哪怕我们使用最灵敏的大型毫米波望远镜,或者利用我国自主设计研发的LAMOST望远镜都不能观察到,因为它不存在。


但是观察事实出现了转机

来自美国、日本等多个理论研究团证实,在某种极特殊的条件下,譬如恒星的角动量系统运转极快时,会有可能产生小碎片,从而聚合成小质量的第一代恒星。当这些恒星体量远远小于太阳时,就有可能一直活到今天。

被观察到的这些第一代恒星是红移大于6.0星体形成的星系G09 83808。

在这段时间内,澳大利亚天文学家利用SkyMapper高端望远镜观测到SMSS 0313-6708。这是一颗由金属含量还不到我们太阳的千万分之一物质构成的恒星,而天文学家无法观测到它大气中的金属元素。

这代恒星年龄应该很大,迄今几十亿年上下,离宇宙诞生时间不远,可以称得上骨灰级的恒星大佬。

我们可以遥想那个伸手不见五指的宇宙,忽然诞生出一道亮光,把行星的表面分成了昼夜。受到阳光的地方有了外部温度,不再是依靠遥远地核中的热量维持运转,而正是因为这种外在的光和热,生命诞生才拥有了一个至关重要的条件。

上帝说,要有光,于是就有了光。

第一代恒星诞生的那一刻,不正是《圣经》中描述的创世纪最激动人心的一幕吗?