银河系最古老恒星遗迹是如何被中国科学家发现的？

138亿年前，宇宙诞生之初，大爆炸产生了大量的氢、氦和极其微量的锂，于是在这样的环境下诞生了我们宇宙中的第一代恒星，并且第一次点亮了整个宇宙。

2005年Science杂志创刊125周年之际公布了125个最具挑战性的科学问题，第一代恒星就榜上有名。而时至今日，第一代恒星的性质依然是亟待解决的重要科学问题，甚至位列詹姆斯·韦布空间望远镜的关键科学目标之一。

第一代恒星究竟长什么样？传说它们有可能个头很大、体重很沉，但究竟能有多大？五十个太阳？还是一百个太阳？这些问题困扰了天文学家许多年。

然而，就在不久前的2023年6月7日，国际学术期刊Nature在线发表了中国天文学家领导的一项重要发现，他们首次在银河系中发现了第一代超大质量恒星死亡后留下的遗迹，证实这一遗迹源自于一颗对不稳定超新星（pair-instability supernova，简称PISN）。也就是说，这颗第一代恒星的质量高达太阳的260倍！是一颗名副其实的超大质量恒星。

助力中国天文学家完成这项重大发现的得力干将之一，就是我国自主创新研制的LAMOST望远镜，也称作郭守敬望远镜。LAMOST突破了望远镜大口径与大视场难以兼得的技术瓶颈，是目前世界上口径最大的大视场望远镜，同时也完成了世界上首个发布银河系恒星光谱数突破千万的巡天项目。

围绕银河系结构与演化、多波段天体交叉证认、星系物理三大核心科学目标，LAMOST已经顺利完成了为期五年的一期光谱巡天，而二期巡天也即将完美收官。在最新发布的第10次数据发布中，LAMOST获得的光谱数据量已经达到了世界上其他巡天望远镜发布光谱数总和的2.9倍！利用如此丰富的海量观测数据，国内外天文学家已经在银河系研究、恒星物理及特殊天体搜寻等领域取得了许多有趣而重要的科学发现。比如：揭秘银河系童年的成长历程、发现最大质量恒星级黑洞、在银河系中追踪星系际移民恒星、改写恒星初始质量函数等等，都是具有国际影响力的重要突破。

星空示意图，图片来自图虫网

再让我们说回第一代恒星。这些始祖恒星大多个头庞大、明亮夺目，但却极其短寿。加上现有观测能力的限制，今天的我们暂时无法直接看到第一代恒星。那么这次的发现是如何完成的呢？第一代恒星在成长过程中会合成制造一些比锂更重的金属元素，并且在结束其短暂一生的同时，通过超新星爆发将其制造的各种金属元素喷射并埋藏在它们周围的星际尘埃当中。

在这些尘埃中孕育了第二代恒星，它们的表层大气中完美的保留了第一代恒星的性质，并且寿命足够长，能够存活到今天、被我们看到。换句话说，它们就相当于宇宙化石，通过发掘这些化石恒星，并且分析它们的性质和成分，我们就能够反推其形成时期的环境，重现第一代恒星的模样。由于这些化石恒星非常稀有，因此LAMOST提供的海量数据也为这次成功发现提供了至关重要的“海选”数据库。

这次，我们不仅成功确认了迄今为止质量最大的第一代恒星——一个体重超过太阳260倍的“大胖子”，同时也第一次证实了一种特殊超新星的存在。通常小于100倍太阳质量的第一代恒星都以核坍缩型超新星爆发的形式结束生命；而介于140-260倍太阳质量的第一代恒星，其核心处产生的正负电子对会减弱恒星内部的辐射压力，并导致恒星坍缩形成对不稳定超新星。在此之前，对不稳定超新星就像个传说，只听闻于理论。而这一次，我们中国天文学家终于实锤了它的存在。

未来，在LAMOST和中国空间站工程巡天望远镜等中国制造观天利器的辅佐下，我们将构建更大的宇宙化石样本，重新认识第一代恒星质量的分布规律，揭秘元素起源，并重现宇宙早期恒星与星系的诞生、成长的图像。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者：李海宁

审核：中国科学院上海天文台 研究员 韩文标

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

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