文 ｜ 《中國科學報》 記者 甘曉

「眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在，燈火闌珊處。」接受《中國科學報》採訪時，中國科學院國家天文台天體元素豐度與星系化學演化團組首席研究員趙剛難掩內心喜悅，「天文學觀測經常會給人們帶來一些意想不到的驚喜，讓人激動不已。」

這次，郭守敬望遠鏡（LAMOST）帶給他和研究團隊的驚喜是銀河系考古的一項重磅發現——第一代超大質量恆星的化學遺蹟。相關研究成果6月7日發表於《自然》。

尋找「活化石」

說到恆星，人們最熟悉的是太陽。太陽是一顆年輕的恆星，年齡約為40多億年。而想要了解銀河系和宇宙演化的歷史，人們不得不追問：給宇宙帶來第一縷曙光的古老恆星在哪裡？它們的質量有多大，由什麼物質構成？

作為終結黑暗時代的起始點，第一代恆星主導著早期宇宙演化歷史，其身世之謎長期困擾著全世界的天文學家。

「宇宙大爆炸後，第一代大質量恆星形成超新星，把爆炸的產物—— 一些相對較重的金屬元素拋射到星際介質中，形成下一代恆星，而第一代恆星形成之初只含有氫和氦元素。」論文第一作者、中國科學院國家天文台副研究員邢千帆告訴《中國科學報》，也就是說，恆星含有的金屬元素（天文學中稱氫和氦之外的所有元素為金屬元素）越少，可能意味著它越古老。天文學家將金屬含量較低的恆星稱為「貧金屬星」，它們是揭示第一代恆星演化歷史的「活化石」。

長期以來，銀河系考古領域一直致力於通過貧金屬星研究第一代恆星。理論研究表明，根據第一代恆星不同的質量，其演化過程存在3種不同的模型，即中小質量恆星演化形成白矮星的「熱核爆發」、大質量恆星中心「鐵核坍縮爆發」以及超大質量恆星晚期氧矽核燃燒引起的「對不穩定超新星爆發」。

「前面兩種模型對應的超新星都已經觀測到，但最後一種超新星，即『對不穩定超新星』（PISN），自20世紀60年代提出模型以來一直缺乏觀測證據。」教授王曉鋒表示。

基於「化學豐度」的反推

在最新發表的論文中，研究團隊結合LAMOST低解析度光譜和日本昴星團望遠鏡高解析度光譜數據發現了一顆「化學豐度極為特殊」的恆星（LAMOST J1010+2358）。

化學豐度指的是恆星中含有某一種化學元素的相對比例，恆星的化學豐度完整保留了孕育它的氣體雲的化學特徵。因此，藉助第二代恆星的化學豐度，可以反推出第一代恆星的演化歷史。

邢千帆介紹，這顆特殊恆星具有目前已知最低的鈉含量，其化學豐度顯示出強烈的「奇偶效應」，即原子序數為奇數的元素含量遠低於相鄰的原子序數為偶數的元素含量。同時，這顆恆星基本不含鍶、鋇等中子俘獲元素，可以推斷其幾乎沒有受到中子俘獲過程的影響。

論文通訊作者趙剛長期從事天體豐度研究。他敏銳地意識到，這顆恆星很有可能與他們尋求已久的第一代超大質量恆星有關。回到理論模型中，研究人員發現，這顆恆星的化學豐度特徵與260倍太陽質量的對不穩定超新星的理論計算結果高度吻合。

「這一發現首次從觀測上證實第一代恆星的質量可以達到太陽質量的數百倍，同時首次證實了『對不穩定超新星』的存在。」趙剛指出。

美國哈佛大學原天文系主任阿維·勒布曾提出：「發現對不穩定超新星的證據是貧金屬星研究領域的『聖杯』之一。」

五百萬里挑一

在研究團隊看來，這項重大科學突破離不開團隊長期以來建立的大規模貧金屬星高解析度光譜觀測樣本，同樣離不開LAMOST千萬量級的光譜數據。

LAMOST是我國自主研製、世界上口徑最大的光譜巡天望遠鏡。據中國科學院國家天文台LAMOST運行和發展中心常務副主任趙永恆介紹，截至2023年4月，LAMOST發布的最新數據集包含光譜總數2229萬餘條，是目前國際上其他巡天望遠鏡發布光譜數之和的2.9倍，這讓LAMOST成為世界上首個發布光譜數突破2000萬的巡天項目。

最新發表的論文中，科研人員正是在LAMOST「超級大」的數據中「挖呀挖」，找到了這顆「超級大」的第一代恆星。

邢千帆表示，研究人員首先從千萬量級恆星光譜中，篩選出鎂元素含量較低的一批恆星，再開展後續的高分辨光譜觀測，並進行全面化學成分分析，以確定鈉、矽、鎳、鐵等元素的豐度。「第一步確定約500萬顆恆星的鎂豐度，篩選出5000顆鎂豐度較低的恆星，第二步再從這5000顆恆星中篩選出符合條件的恆星，最終鎖定在這一顆上。」他說。

展望未來，研究團隊期待利用LAMOST和發現更多化學豐度特殊的恆星，通過對第一代恆星遺蹟的分析，進一步確定恆星初始質量函數，加深對銀河系演化歷史的理解。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06028-1