在遙遠的氣體雲中發現了宇宙最初恆星的痕跡

從早期宇宙中​​漂浮到現在的氣體雲讓天文學家看到了有史以來最早誕生的恆星的殘留物。

不是恆星本身，因為它們早就消失了，它們在爆炸前快速地燃燒，形成我們的儀器無法探測到的超新星光輝。不過，它們在爆炸中留下的物質暴露了在其核心中發生的原子核聚變的產物。

巴黎天文台的天文學家 Andrea Saccardi ：「這是有史以來第一次，我們能夠在非常遙遠的氣體雲中識別出第一批恆星爆炸的化學殘留物。」

根據我們目前了解到的宇宙學，宇宙歷史上曾有一段黑暗且嚴峻的時期。大約 138 億年前的宇宙，它的範圍比現在要小得多，但是充滿了熾熱、渾濁的電離氣體霧，阻止了光穿過宇宙。任何光子很簡單都能散射掉自由電子。

一旦宇宙充分冷卻下來，質子和電子就會重新結合成中性的氦和氫。直到第一批恆星和星系誕生後，它們的紫外線輻射使中性氫重新電離，光才可以在整個電磁波譜中自由流動。

我們認為這些第一批恆星出現在 137 億到 135 億年前，不過我們從未真正見過。我們稱它們為「第三星族」恆星，它們可能與我們現今在周圍看到的恆星非常不同。

它們可能體積巨大，這代表著它們會很快就燃燒殆盡，最後以超新星爆炸結束，將它們的內容物噴向太空，在下一代的恆星形成中被吸收。

但是重元素的產生需要恆星。第三星族恆星主要是氫和氦組成，因為這是它們誕生時宇宙中的全部元素（加上微量的鋰，第三輕的元素）。

不過它們核心中的核反應將這些元素的原子融合在一起，產生更重的元素，如碳、氧和鎂，因此當恆星爆炸時，這些元素隨後擴散到太空中。

儘管天文學家希望有一天我們可以直接研究這些恆星，但是因為它們早已不復存在，我們目前無法直接做到。然而，這並不代表它們所有的痕跡都消失了。

意大利佛羅倫薩大學的天體物理學家和宇宙學家 Stefania Salvadori 表示：「我們還可以通過檢測原始恆星燃燒完後散佈在環境中的化學元素來間接研究它們。」

為了尋找原始恆星的線索，Saccardi 和他的同事使用歐洲南方天文台超大望遠鏡上的 X-shooter 儀器，分析被稱為類星體的那非常明亮、來自遙遠星系的光線。

當這種光在太空中移動時，有時它會穿過物質雲。這可能會使光線產生一些變化，使光譜的某些部分變得更亮或更暗，因為波長被物質雲中的元素吸收和重新發射出來。

科學家們可以仔細研究光譜中的這些特徵，並將它們與特定元素聯繫起來。研究人員收集了 54 個這樣的物質雲的觀測結果，並尋找可能由第三星族恆星散佈在太空中的元素痕跡，以及像鐵這樣低含量的重元素。

他們在三個雲團中發現了他們要找的特徵，這些雲可以追溯到大爆炸後的前 10 到 20 億年左右。

這三個雲團有很高的碳和氧豐富度，而鎂和矽鐵的比例與附近的古代恆星非常吻合，都一樣重元素含量很少。

此外，鎂和矽的豐富度與原始恆星預期的低能量超新星一致。

這些結果表明，雖然我們還沒有在宇宙真正看到第三星族恆星，但很有可能找到它們的殘餘物。而且如果有了足夠強大的工具，我們將可以探測這些痕跡，了解更多關於宇宙中物質的演變，因為隨著時間的推移，恆星會改變我們周圍物質的元素豐度。

Salvadori 說：「我們的發現為間接研究第一批恆星性質開闢了新的途徑，充分補充了對我們銀河系中恆星的研究。」

該研究已發表在《天體物理學雜誌 (The Astrophysical Journal) 》上。