至今為止，人類還沒發(fā)現(xiàn)過第一代恒星，因為它們數(shù)量稀少，而且在宇宙演化早期，中性氫會吸收天體的光，導(dǎo)致恒星暗淡。如果第一代恒星被探測到，將為揭示星系化學(xué)和動力學(xué)演化提供重要線索。
——鄭憲忠 中國科學(xué)院紫金山天文臺研究員
近日，美國國家航空航天局（NASA）宣布哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（以下簡稱哈勃）利用引力透鏡效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了人類迄今觀測到的最遙遠(yuǎn)的單顆恒星。
這顆恒星誕生于宇宙大爆炸后的10億年內(nèi)。研究人員估計，這顆恒星的質(zhì)量至少是太陽的50倍，亮度是太陽的數(shù)百萬倍。由于距離地球非常遙遠(yuǎn)，它發(fā)出的光線用了129億年才到達(dá)地球。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《自然》雜志上。
這顆恒星被命名為埃倫德爾（Earendel），在古英語單詞中意為晨星或旭日之光。那么，這縷“晨光”將為人類揭示宇宙演化帶來哪些新的線索？
在NASA看來，哈勃的這一新發(fā)現(xiàn)有望開啟早期恒星形成相關(guān)研究的新篇章。
美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)研究人員、論文第一作者布賴恩·韋爾奇表示，埃倫德爾存在于很久以前，形成它的“原材料”可能不同于以往已知的恒星，這一發(fā)現(xiàn)有助于科學(xué)家對宇宙非常早期、恒星形成的未知時代展開研究。
利用宇宙“放大鏡”發(fā)現(xiàn)129億年前的星光
此次哈勃發(fā)現(xiàn)埃倫德爾，更像是一次偶然的邂逅。“以哈勃的觀測能力，原本無法看清那么遙遠(yuǎn)的星光。但這次哈勃能看到埃倫德爾，是因為在地球和埃倫德爾之間，有一塊特殊的‘放大鏡’。”中國科學(xué)院紫金山天文臺研究員鄭憲忠告訴科技日報記者，這塊“放大鏡”其實是一個巨大的星系團(tuán)——WHL0137-08，正是由于WHL0137-08的引力透鏡效應(yīng)，埃倫德爾的光才能被敏銳的哈勃捕捉到。
引力透鏡效應(yīng)是愛因斯坦廣義相對論中預(yù)言的一種現(xiàn)象，指時空在大質(zhì)量天體附近會發(fā)生畸變，從而使得光線在經(jīng)過大質(zhì)量天體附近時發(fā)生偏折。
“當(dāng)光線經(jīng)過星系團(tuán)時，因強(qiáng)大的引力而產(chǎn)生的空間扭曲會使光線偏折，星系團(tuán)就像放大鏡一樣匯聚和放大了背景天體的圖像，間接形成了一種‘放大鏡機(jī)制’。”鄭憲忠說，星系團(tuán)WHL0137-08距離地球56億光年，埃倫德爾所在星系的光在抵達(dá)星系團(tuán)WHL0137-08時，被星系團(tuán)扭曲成一個長長的新月形，星光被放大了數(shù)千倍。
“這類似于在陽光明媚的日子里，游泳池表面的波紋在底部形成明亮的光斑——水面的漣漪充當(dāng)了透鏡，將陽光聚焦到游泳池底，使池底亮斑達(dá)到最大亮度。”鄭憲忠解釋道。
而空間望遠(yuǎn)鏡是通過長時間的曝光來收集宇宙中的光子，從而探測出未知天體的。在WHL0137-08的“助攻”下，這一次，哈勃捕捉到了來自埃倫德爾的光子。
這也是哈勃再一次刷新自己創(chuàng)下的紀(jì)錄。在埃倫德爾之前，哈勃曾經(jīng)在2018年發(fā)現(xiàn)了一顆遙遠(yuǎn)的恒星——伊卡洛斯（Icarus）。在詳細(xì)甄別測算后，科學(xué)家最終確認(rèn)這顆遙遠(yuǎn)恒星位于地球94億光年外。
埃倫德爾“身世”仍是未解之謎
埃倫德爾的發(fā)現(xiàn)，讓科學(xué)家頗感意外。布萊恩·韋爾奇說：“一開始我們幾乎不相信它的存在，它比此前人類觀測到的最遙遠(yuǎn)的恒星還要遠(yuǎn)得多。”
韋爾奇認(rèn)為，埃倫德爾的出現(xiàn)，為人類打開了一扇研究早期宇宙的新窗口。
恒星是由大量氫和氦組成的等離子體，它們的內(nèi)部不斷發(fā)生核聚變反應(yīng)，不斷向外發(fā)出能量，產(chǎn)生輻射壓來對抗自身引力坍縮。
為何科學(xué)家能判定哈勃接收到的光來自恒星而非星系或其他天體呢？
“與星系相比，恒星的尺寸要小很多，而且發(fā)出的光也要暗淡很多。從目前的數(shù)據(jù)看，埃倫德爾比目前已知最小的星團(tuán)更??；另外，恒星的溫度一般從800開爾文到幾萬開爾文不等，埃倫德爾的溫度相當(dāng)于4萬開爾文左右，在恒星的溫度區(qū)間；最后，在哈勃3年多的觀測中，埃倫德爾的亮度基本保持不變。所以不可能是無光、無溫度的黑洞，也不可能是超新星爆發(fā)等。”鄭憲忠說。
埃倫德爾誕生于宇宙大爆炸后約9億年，即誕生于宇宙的“嬰兒時期”。
關(guān)于埃倫德爾的詳細(xì)“身世”，至今仍有許多未解之謎，例如它具體的質(zhì)量、亮度、溫度和類型等，以及它是單星還是雙星，“大多數(shù)像埃倫德爾這種質(zhì)量的恒星通常都有一個更小、更暗的伴星。”鄭憲忠說。
為捕捉第一代恒星的蹤跡提供希望
雖然“身世”不詳，但埃倫德爾仍然引起了天文學(xué)家的極大興趣，“我們可以獨立地研究它的電磁輻射。”韋爾奇說，“這讓我們可以直接與銀河系中的恒星進(jìn)行比較，從而加深我們對早期宇宙中恒星的理解。”
更重要的是，埃倫德爾讓科學(xué)家看到了捕捉第一代恒星蹤跡的希望。
“現(xiàn)有的理論模型認(rèn)為，宇宙大爆炸后，熾熱的輻射漸漸平息下來，宇宙溫度慢慢下降，經(jīng)歷一個黑暗時期，中性氫開始在一些宇宙物質(zhì)密度較高的地方聚集，當(dāng)其質(zhì)量、壓力增大到一定程度時，發(fā)生核聚變，形成了第一代恒星。”鄭憲忠解釋，第一代恒星誕生于距今約137億年前，基本由氫和氦元素組成，還有極少數(shù)的鋰等，金屬豐度接近零。它們的誕生意味著宇宙再電離時期的開始。而埃倫德爾誕生于宇宙再電離結(jié)束時期，它是否攜帶著第一代恒星的“出生證明”，值得探尋。
“至今為止，人類還沒發(fā)現(xiàn)過第一代恒星，因為它們數(shù)量稀少，而且在宇宙演化早期，中性氫會吸收天體的光，導(dǎo)致恒星暗淡。目前來看，發(fā)現(xiàn)第一代恒星有兩種途徑，一是把人類探測的目光投向更深邃、遙遠(yuǎn)的宇宙，特別是要關(guān)注大質(zhì)量天體，質(zhì)量大的恒星亮度也會大，看到的幾率就高；二是在銀河系里探測質(zhì)量小、金屬豐度極低的天體，因為質(zhì)量越小的天體，壽命越長。”鄭憲忠認(rèn)為，如果第一代恒星被探測到，將為揭示星系化學(xué)和動力學(xué)演化提供重要線索。
這讓埃倫德爾被寄予厚望。有觀點認(rèn)為，如果后續(xù)研究證明埃倫德爾只是由原始的氫和氦組成，這將是傳說中第一代恒星存在的第一個證據(jù)。
如何破解埃倫德爾有可能隱藏的宇宙之謎？天文學(xué)家打算利用詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡對埃倫德爾進(jìn)行觀測。
在鄭憲忠看來，距離我們最遙遠(yuǎn)的恒星，或者說第一代恒星，形成的條件很苛刻，找到它們并了解它們最初的演化過程，如氣體是如何冷卻形成的恒星，最初的恒星到底有多大，它們的質(zhì)量、壽命是多少，恒星是否直接由氣體引力坍縮形成等，對于驗證現(xiàn)有恒星理論具有重大意義。
“了解天體是如何誕生的，對于探尋生命的起源、理解文明的意義或許也會提供一些借鑒。”鄭憲忠說。
標(biāo)簽： 埃倫德爾
