黑暗的宇宙，初生的恆星，模擬能否揭示恆星起源之謎？

數值模擬揭示了宇宙中恆星形成的“黑暗時期”

要觀察發現宇宙第一代恆星的形成是非常困難的，爲了瞭解宇宙第一代恆星的形成，佐治亞理工學院相對論天體物理中心的一組研究人員最近進行了模擬，展示了第一代恆星的形成過程。

對於天文學家、天體物理學家和宇宙學家來說，要發現宇宙中形成的第一代恆星都是一件十分困難的事情。一方面，目前的望遠鏡或觀測站的觀測能力十分有限，我們有史以來觀測到最遠的天體是在哈勃極深場 (Hubble eXtreme Deep Field, XDF) 圖像中發現的MACS 1149-JD，這是一個距離地球132億光年的星系。另一方面，直到大爆炸大約10億年後，宇宙開始經歷宇宙學家所說的“黑暗時期” (Dark Ages)。宇宙在這個時期充滿了遮擋可見光和紅外光的氣體雲，所以我們很難觀測到在那時期之前的宇宙。

圖解：宇宙的演化歷史，其中有一個時期稱爲宇宙的“黑暗時期”（Dark Ages）。（圖源：百度百科）

不過幸運的是，佐治亞理工學院相對論天體物理學中心的一組研究人員最近進行了數值模擬，其結果向人們展示了宇宙中第一代恆星的形成過程。該研究由中心的博士後研究員Gen Chiaki和副教授John Wise領導，來自羅馬大學、羅馬天文臺、國家天體物理研究所 (INAF) 和國家核物理研究所 (INFN) 的諸多研究人員也參與了這項研究。他們的研究成果已在《皇家天文學會月刊》上發表。

根據恆星的生命週期，天體物理學家推測宇宙中的第一代恆星應該是貧金屬星。這些恆星在大爆炸約1億年後，由含有氫氣、氦氣和微量輕金屬的原始湯形成。這些氣體會坍縮成比我們的太陽還要大1000倍的恆星。這些恆星的壽命十分短暫，它們可能只存在了幾百萬年。不過在那段時間裡，這些恆星的中心通過核反應新生成了許多重元素，隨着恆星的坍縮並最終發生超新星爆炸，這些元素就會彌散到星際物質中去。因此，通過這些星際物質形成的下一代恆星將含有諸如碳在內的較重的元素，我們稱之爲碳增豐貧金屬星 (Carbon-Enhanced Metal-Poor stars)。天文學家現在能夠了解這些恆星的元素組成，它反映了第一代恆星中重元素核合成（聚變）的結果。

圖解：大麥哲倫星雲中的超新星遺蹟SNR E0519-69.0 （圖源：Wikipedia）

通過研究這些貧金屬星背後的形成機制，科學家可以推斷出在第一代恆星形成時，也就是宇宙的“黑暗時期”發生了什麼。正如Wise在德克薩斯州高級計算機中心（TACC）的新聞中所說：“我們無法看到第一代恆星，因此，重要的是觀察來自早期宇宙的‘活化石’（第二代恆星）。第二代恆星中包含了第一代恆星的“指紋”，也就是第一代恆星在超新星爆發中釋放出的化學元素。數值模擬可以幫助我們瞭解這一過程中究竟發生了什麼。我們通過模擬結果可以看出金屬元素來自哪裡，以及第一代恆星和其超新星爆發是如何影響第二代恆星的。”

圖解：密度，溫度和碳丰度（上圖）以及第三星族 (Pop III) 恆星的形成周期（下圖）。（Chiaki等人）

該團隊主要基於佐治亞理工學院的PACE集羣進行模擬。同時，美國國家科學基金會（NSF）的極端科學與工程發現環境（XSEDE），TACC的Stampede2超級計算機，NSF資助的Frontera系統（世界上最快的學術超級計算機）以及聖地亞哥超級計算機中心（SDSC）的集羣都爲上述數值模擬提供了支持。

憑藉這些計算集羣提供的算力支持和數據存儲，該團隊能夠模擬宇宙中第一代恆星的微弱超新星。該研究表明在第一代恆星之後出現的碳增豐貧金屬星是通過混合從第一代恆星超新星爆發噴射出來的物質而形成的。

他們的模擬結果還表明，第一代恆星超新星爆發所產生的氣體雲中充滿了碳質顆粒，它們將形成小質量的千兆貧金屬星，這些貧金屬星今天可能仍然存在（這些恆星也是未來的研究方向）。針對這些恆星，Chiaki表示：“與觀測到的碳增豐貧金屬星相比，這些恆星的鐵含量非常低，大約是太陽系鐵丰度的十億分之一。然而，我們可以看到氣體雲的碎片，這表明低質量恆星是在鐵丰度很低的狀態下形成的。雖然這樣的恆星還未被觀測到，但我們的研究可以爲第一代恆星的形成提供理論見解。”

圖解：一項新的研究着眼於52個亞毫米級星系，以幫助我們瞭解宇宙的早期年齡。（諾丁漢大學/ Omar Almaini）

這些研究作爲“銀河考古學”研究領域的一部分，正在不斷髮展。就像考古學家如何依靠化石遺骸和文物來了解數個世紀前或幾千年前消失的社會一樣，天文學家也正通過研究古老的恆星，來更多地瞭解那些早已消亡的恆星。

根據Chiaki的說法，下一步模擬將不只侷限在古老恆星的碳特徵，其他較重的元素也將整合到更爲龐大的模擬中。通過這樣的做法，銀河考古學家希望能夠更多地瞭解我們宇宙中生命的起源和分佈。Chiaki說：“這項研究的目的是瞭解諸如碳、氧、鈣等元素的起源，這些元素通過星際介質和恆星之間不斷重複的物質循環而集中。我們的身體和所生活的星球都是由碳、氧、氮和鈣等元素組成的，因此這項研究對於理解這些元素的起源具有十分重要的意義。”

BY: Matt Williams

FY: 小陣雨

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