在我们附近的宇宙里，出现了一颗不该出现的恒星

华语天空

大麦哲伦云。图片来源：NASA

这颗恒星来自宇宙之初。


撰文 | 王昱
审校 | 不周


如果把数学家、工程师和天文学家放到一个房间里，询问他们π是多少，你马上就能体会到数学、工程学和天文学的区别。


数学家会告诉你，π就是π。


工程师会告诉你，π大约是3.14，在要求不高的情况下近似取3也不是不能用。


天文学家则会表示，把π当成3.14还是太麻烦了，干脆当1算，当10也不是不行，反正数量级差不多。


从某种程度上说，天文学之所以让人产生这样的刻板印象，是因为我们对这个宇宙的了解还是太有限了，哪怕只能把数据的误差范围约束到几个数量级内，在很多时候也算相当不错的进步了。

氢元素、氦元素和金属元素

当然，我们对宇宙的了解也不总是这么粗糙，比如今天的我们可以观测宇宙大爆炸的余晖——宇宙微波背景辐射，推测宇宙诞生时的成分。结果是，宇宙大爆炸时几乎只产生了氢和氦两种元素，还有少量的锂。其他更重的元素，几乎只能通过恒星核心的核聚变，以及超新星爆炸产生。


不过就算宇宙中存在合成各？种元素的机制，近130亿年过去，宇宙中最主要的元素还是氢和氦。按质量计算，今天银河系中氢元素占74%，氦元素占24%，两者合计占宇宙总质量的98%。所以，在天文学家的元素周期表中，宇宙只有三种元素：氢元素、氦元素和金属元素——是的，所有比氢和氦更重的元素都被天文学家称为金属。

第一代恒星与太阳的元素比例。第一代恒星几乎完全由氢和氦组成，而太阳还包含天文学家称为“金属”的较重元素。图片来源：NASA、ESA、CSA、STScI


宇宙大爆炸后第一批形成的恒星应该只由氢和氦组成，缺乏金属元素导致气体云冷却效率极低，只有质量足够大的气体云才能塌缩形成恒星。所以宇宙第一批恒星的质量都非常巨大，一般质量可以达到太阳质量的几十倍甚至数百倍。较大的体型导致其核心温度很高，核聚变速率极快，这些恒星会在数百万年内走向生命尽头。在生命结束时，有些第一代恒星通过超新星爆发将核心聚变产生的金属元素抛向宇宙，导致第二代恒星中金属元素的含量更高。第二代恒星消亡后，第三代恒星金属含量就更高了，而我们的太阳就属于第三代恒星。


一颗恒星的金属含量越低，说明它的形成时间越早，也就蕴含了更多来自宇宙极早期的秘密。可惜的是，今天的宇宙中已经没有了第一代恒星，第二代恒星和第三代恒星的金属含量也普遍较高。为了寻找金属含量尽可能低的恒星，天文学家一般倾向于使用先进的望远镜观测宇宙边缘，寻找那些来自光锥尽头的原始恒星。但其实，在邻近的宇宙中，也可能存在一些金属含量较低的第二代恒星。

来自宇宙之初

恒星的质量越大，寿命就越短。反过来，如果恒星的质量足够小，寿命就会越长。如果一颗第二代恒星形成的时间足够早，那么它的金属含量可能就会足够低；如果它的质量足够小，那么它的寿命就可能足够让它从宇宙早期存活至今。天文学家就能从这样的恒星中窥探宇宙初期的秘密。最近，天文学家就在大麦哲伦云中发现了一颗几乎没有金属污染的恒星，相关论文已经在预印本文库公开。


这颗恒星被称为SDSS J0715-7334，是一颗红巨星。在它之前，已知金属丰度最低的恒星是银河系盘中的一颗恒星，金属丰度在1.4×10-6以下。而这颗恒星的金属丰度在7.8×10-7以下。作为对比，太阳的金属丰度大约是1.6%。

SDSS J0715-7334（红色五角星）的碳丰度和铁丰度都极低，图表横坐标、纵坐标分别为恒星碳氢丰度之比的对数值、铁氢丰度之比的对数值。图片来源：原论文


SDSS J0715-7334的金属丰度极低，以至于我们观测到的最遥远、最原始的星系的金属丰度也是它的十倍。它是我们发现的最接近“纯净无金属”状态的恒星，天文学家也能从它极低的金属丰度来推测它的身世。


首先，通过观测碳、镁和铁等元素相对于氢的具体丰度，我们可以了解这颗恒星的母星大小。如果它是一颗第二代恒星，那么它将来自一颗第一代恒星的超新星遗迹，这颗第一代恒星质量应该只有太阳质量的30倍，质量小得令人惊讶。


另外，SDSS J0715-7334的碳含量异常低，这一点令人意外。因为第一代恒星质量较大，其中氦元素燃烧的碳氮氧聚变循环能够高效地产生碳元素、氮元素和氧元素。碳的缺乏也表明在恒星形成区域存在大量尘埃冷却气体云，因为只有气体云足够冷，才能形成足够小的恒星。


SDSS J0715-7334在大麦哲伦云中的运动姿态也表明，它形成于小星系的气体云中，而不是一颗来自宇宙其他地方的流浪恒星。这意味着我们将来甚至有可能在银河系中发现更多这样的恒星。


宇宙中的第一代恒星早已经在数百亿年前燃尽了，SDSS J0715-7334只可能是一颗第二代恒星。但就连韦布空间望远镜（JWST）在宇宙早期发现的、最缺少金属的高红移星系，金属含量也要比SDSS J0715-7334高10倍。这只能说明，韦布空间望远镜的观测能力依然没能触及天文学家窥探第一代恒星的梦想。


所以说，就算耗尽心血建造、发射韦布空间望远镜，人类依然没能找到宇宙中的第一代恒星。我们对宇宙依然还有太多的不了解。很多时候并不是天文学家对误差的容忍度太过夸张，而是宇宙尺度本身就横跨多个数量级，让天文学家不得不用对数、用数量级来描述我们对它的模糊认知。




参考链接：
https://www.universetoday.com/articles/the-most-metal-free-star-ever-observed-is-found-in-our-own-backyard
https://arxiv.org/abs/2509.21643


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superjiaming

恒星的金属丰度含量低只是其中一个重要因素！还要看它的年龄、体积、质量、密度、磁场强度、引力强度！等参数指标，综合考滤才能判定它是不是第一代恒星！从目前的情况来看这颗恒星是非常接近第一代恒星的标准！不过最好是能进一步确认一下！再观察一下！仔细的看看数据！我是很希望能找到第一代恒星的存在！

wifai

我一直都觉得宇宙大爆炸那一刻！物质参与了！反物质参与了！暗物质参与了吗？！暗能量参与了吗？！宇宙大爆炸如果暗物质与暗能量参与了，那它们都起了什么作用？！有时候就爱瞎想！不过始终没有找到答案啊！

walysj

对这类新闻已经不太感冒了，存在即合理。

voo

存在即合理，为何说这可恒星不该出现呢？@元宝

lovejuan0104

说明宇宙大爆炸的理论本身存在问题