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原作：Shichun Huang
翻译：刘峰
校译：姜力萌
编排：邱和琴
后台：朱宸宇
原文链接：https://www.quantamagazine.org/astronomers-say-they-have-spotted-the-universes-first-stars-20230130/
当今宇宙中最大的恒星质量是太阳的几百倍，而第一批恒星的质量可能高达太阳质量的100万倍。
理论认为，“第三星族”恒星是宇宙鸿蒙初辟后的第一缕光。詹姆斯韦布太空望远镜现在可能已经瞥见了它们。
一组天文学家仔细研究詹姆斯韦布太空望远镜（JWST）的数据后，在一个遥远的星系中瞥见了电离氦的光辉，这可能表明了那些是宇宙的第一代恒星。
这些长期以来被天文学家苦苦追寻的，不恰当地命名为“第三星族”的恒星应该是巨大的氢和氦球，由宇宙的原始气体酝酿而成。理论物理学家在1970年代开始想象这些宇宙的第一批“火球”，假设在它们度过短暂的寿命之后，以超新星的形式爆炸，形成更重的元素并将它们喷入宇宙。这些恒星后来产生了重元素含量更丰富的第二星族恒星，然后是元素更丰富的第一星族恒星，就如我们的太阳，以及行星、小行星、彗星，最终是生命本身，包括你我。
英国曼彻斯特大学的天文学家丽贝卡·鲍勒说：“我们知道一定有第一代恒星，才会有我们现在的这个世界。”
现在，中国科学院的王鑫教授和他的同事们认为他们已经找到了这些最早的恒星。王鑫说：“这真的很超现实。”该团队的论文于12月8日发布在预印本服务器 arxiv.org 上，正在等待《自然》杂志的同行评审。
即便是王鑫他们搞错了，对第一批恒星的更令人信服的探测可能也不远了。JWST正在对天文学产生深远影响，因为它能够在空间和时间上凝视足够远的距离来观察早期的宇宙。这座运行在拉格朗日点上的功勋望远镜已经探测到遥远的星系，这些星系的异常亮度表明它们可能包含第三星族恒星。其他与JWST一起发现恒星的研究小组现在正在分析自己的数据。加州大学圣地亚哥分校的物理学家迈克·诺曼（Mike Norman）正在利用计算机模拟中研究这些恒星， 他提到“这绝对是最热门的问题之一”。
借助此神器，天文学家能够开始探测恒星的大小和外观、它们何时存在，以及在宇宙早期的混沌中它们如何突然点亮。
鲍勒评价道：“这确实是宇宙历史上最根本的一个里程碑”。
第三星族
中国科学院的天文学家王鑫在早期宇宙中发现了氦II，这可能意味着第三星族恒星的存在。
宇宙大爆炸后大约40万年，电子、质子和中子沉降下来，并且结合成氢原子和氦原子。随着温度的不断下降，暗物质逐渐聚集起来，拉动原子开始凝聚。在物质团块的内部，氢和氦被重力挤压，凝结成巨大的气体球，直到这些气体球物质足够密集，核聚变突然在它们的中心点燃——第一批恒星诞生了。
德国天文学家沃尔特·巴德（Walter Baade）在1944年将银河系中的恒星划分为I型和II型。前者包括我们的太阳和其他富含金属的恒星;后者包含由较轻元素组成的较老恒星。星族III恒星的想法在几十年后开始进入了文献。在1984年的一篇论文中，英国天体物理学家伯纳德·卡尔（Bernard Carr）描述了这种原始恒星在早期宇宙中可能发挥的重要作用。“他们的热量或爆炸可能会使宇宙重新电离，”卡尔和他的同事写道，“......它们的重元素产量可能导致星系诞生前物质爆发式地富集，“从而产生了后来富含重元素的恒星。
卡尔和他的合著者估计，由于早期宇宙中有大量的氢气和氦气，这些恒星可能已经成长到巨大的尺寸，其质量比我们的太阳大几百倍到十万倍。
那些较重的恒星，即所谓的超大质量恒星，本来温度会相对较低，更黯淡和臃肿，其大小几乎可以涵盖我们的整个太阳系。而更密集、大小适中的第三星族恒星的变种将发出蓝色的光，表面温度约为5万摄氏度，而我们的太阳只有5500摄氏度。
2001年，由诺曼领导的计算机模拟工作解释了如此大的恒星是如何形成的。在目前的宇宙中，气体云分裂成许多小恒星。但模拟表明，早期宇宙中的气体云比现代云热得多，不能轻易凝结，因此恒星形成的效率较低，但是整个气体云会坍缩成一颗巨大的恒星。
它们巨大的体量意味着恒星的寿命是短暂的，最多持续几百万年（质量更大的恒星会更快地燃烧掉可用的燃料）。因此，第三星族恒星在宇宙历史上不会持续很长时间——也许是几亿年，因为最后的原始气体消散了。
目前还存在许多不确定性。比如，这些恒星到底有多大？它们是什么时候诞生的？它们在早期宇宙中有多丰富？“它们是与我们银河系中的恒星完全不同的恒星，”鲍勒说。“因此它们就是这么有趣。”
英国曼彻斯特大学的天文学家丽贝卡·鲍勒（Rebecca Bowler）研究早期宇宙中星系的形成和演化。图片来源：安东尼·霍洛威/曼彻斯特大学
因为它们离我们太过遥远，存在的时间又非常短，所以寻找它们存在的证据一直是一个挑战。然而在1999年，科罗拉多大学博尔德分校的天文学家预测，当每个原子的剩余电子在能级之间跃迁时，氦 II(即一次电离的氦离子He II)会发出的特定频率的光，这也许能解释一些问题。曼彻斯特大学的天文学家詹姆斯·特拉斯勒解释说，“氦发射实际上并非来自恒星本身，相反它是在来自恒星热表面的高能光子射入恒星周围的气体时产生的。”
日内瓦大学的Daniel Schaerer说“这是一个相对简单的预测”。他在2002年拓展了这个思路，于是狩猎狂欢开始了。
寻找第一颗星星
2015年，Schaerer和他的同事认为他们可能发现了一些东西。他们在一个遥远的原始星系中发现了氦II特征的可能迹象，该星系可能与一组第三星族恒星有关。从大爆炸8亿年后出现来看，银河系看起来似乎包含了宇宙中第一批恒星的第一个证据。
后来由鲍勒领导的工作对这些发现提出了异议。鲍勒说：“我们从源头找到了氧发射的证据。这排除了单纯的第三星族情况，“然后，一个独立的小组未能检测到初始团队看到的氦II线。
天文学家将希望寄托在 2021 年12 月发射的 JWST 上。该望远镜拥有巨大的镜面和对红外光前所未有的灵敏度，可以比之前的任何望远镜更容易观察早期宇宙。该望远镜还可以进行光谱观测，将光分解成其不同的波长分量，这使其能够寻找第三星族恒星的氦II标志。
王鑫的团队分析了JWST对2千多个天体的光谱观测数据，选出了一个遥远的星系，因为它出现在大爆炸后6.2亿年。根据研究人员的说法，该星系分为两部分。他们的分析表明，该星系的一半似乎具有氦II的关键特征与其他元素的发射线混合，可能指向数千个第三星族恒星和其他恒星的混合体；而另一半的光谱学研究尚未完成，但它的亮度暗示了一个更丰富的第三星族环境。
王鑫说：“我们正申请JWST在下一个周期的观测时间，以覆盖整个星系并有机会确认这类天体”。
根据诺曼的说法，该星系是一个“令人头疼的玩意”。他说，如果氦II的结果经得起推敲，“一种可能性是第三星族星团。”然而，他不确定第三星族星和后来的恒星是否可以如此容易地混合在一起。
亚利桑那州立大学的罗吉尔·温德霍斯特（Rogier Windhorst）正在使用引力透镜来试图放大早期宇宙中第三星族恒星的图像。“我们已经有一些候选人，”他说。图片来源：查理·莱特/亚利桑那州立大学新闻
朴茨茅斯大学的天体物理学家丹尼尔·惠伦（Daniel Whalen）也持谨慎态度。他说，“这绝对可以成为星系中第三星族和第二星族恒星混合的证据。”然而，尽管这将是宇宙第一批恒星的“第一个直接证据”，但惠伦还是认为，“这不是很漂亮的证据”。其他炙热的天体也可以产生类似的氦II特征，包括围绕黑洞旋转的灼热物质盘。
王鑫认为他的团队可以排除黑洞作为来源，因为他们没有检测到在这种情况下预期的特定氧元素，氮元素或电离碳的特征。然而，这项工作仍在等待同行评审，即便如此，后续观察也需要确认其潜在的发现。
炙手可热
其他使用JWST的团体也在寻找第一颗恒星。
除了寻找氦II之外，亚利桑那州立大学的天文学家罗吉尔·温德霍斯特及其同事在2018年提出的另一种搜索方法是利用巨型星系团的引力来观察早期宇宙中的单个恒星。使用像星团这样的大质量物体来扭曲光线并放大更遥远的物体（一种称为引力透镜的技术）是天文学家获得遥远星系视图的常见方式。温德霍斯特认为，即使是接近重星团边缘的第三星族恒星“原则上也可以经历几乎无限的放大倍数”并突然出现在视野中。
温德霍斯特领导着一个JWST项目，该项目正在尝试这项技术。他说，“我很有信心，在一两年内，我们会看到一些结果。目前我们已经有一些候选对象了。”同样，意大利国家天体物理研究所的天文学家Eros Vanzella正在领导一个项目，该项目正在利用引力透镜研究10或20颗候选的第三星族恒星。“我们现在只是在玩玩数据，”他谦虚地说道。
JWST在早期宇宙中已经看到的一些出乎意料的明亮星系可能将其亮度归功于巨大的第三星族恒星。“这些正是我们期望第一批恒星形成的时代，”Vanzella说。“我希望...在接下来的几周或几个月内，第一批恒星将被探测到。
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北极星和ZTF彗星星轨
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