天文|观测不到没关系！美国一研究团队模拟出了宇宙中第一颗恒星！宇宙起源|恒星形

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对于天文学家、天体物理学家和宇宙学家而言，观测我们宇宙中形成的第一颗恒星很难的。
一方面，是因为我们现有的望远镜和天文台受限制，使我们只能看到这么远。迄今为止，我们观测到的最遥远的天体MACS 1149-JD是在哈勃极端深空视场（the Hubble eXtreme Deep Field ，简称XDF）图像中发现的星系，它距离地球132亿光年。另一方面，直到大爆炸10亿年后，宇宙还正在经历着宇宙学家所说的“黑暗时代” ，即宇宙充满了能够遮蔽可见光和红外线的气体云。

幸运的是，一个来自于佐治亚理工学院相对论天体物理中心的研究团队最近进行了模拟，展示出了第一颗恒星的形成样子。饱含他们的发现的研究文章发表在了《皇家天文学会月报》（《皇家天文学会月报》（MNRAS），天文学顶级期刊）上。该研究的两位领导人Gen Chiaki和John Wise分别是CfRA的博士后研究员和副教授。他们的研究人员来自罗马大学、罗马天文台、国家天体物理学研究所(INAF)和国家核子物理学研究所(INFN) 。

根据恒星的生死周期，天体物理学家推断，宇宙中最初的恒星非常缺乏金属。这些最初的恒星是在大爆炸大约1亿年之后，由氢气、氦气和微量轻金属煲制成的原始汤坍缩形成的，要比太阳质量大1000倍。

由于它们的大小，这些恒星的寿命很短，可能只存在了几百万年。在这段时间里，它们的核熔炉里有新的重元素，这些元素在恒星坍缩和超新星爆炸时被分散开来。因此，下一代恒星将会有更重的元素含有碳，从而被指定为碳增强金属贫星(Carbon-Enhanced Metal-Poor stars ，简称CEMP) 。

对于天文学家来说，现在也许可见的恒星组成是由第一代恒星中的重元素核合成（融合）的结果。通过研究贫金属恒星背后的形成机制，科学家们可以推测一代恒星形成时的宇宙“黑暗时期”发生了什么。 ”正如德州高级计算机中心（TACC）的Wise在新闻稿中这样讲道：
我们不能看到最早的一代恒星，但是，在活化石上有一代恒星的痕迹，因此，观测早期地球上的活化石很重要，因为活化石上的这些痕迹被一代恒星生成的超新星的化学物质所遍布。

这也是我们模型所展示的作用。当你运行这个模型之后，你就会看到一小段关于它的动画，它会告诉你金属从哪里来、一代星和超新星是怎么影响到这些活化石并留到今天的。
密度、温度、碳含量丰富度、Pop III号星的形成循环周期。图片来源：chiaki 等
为了模型需要，团队主要依靠了PACE星团集群。国际科学基金会（NSF）的极限科学与工程发现环境（XSEDE）、TACC的超级计算机Stampede2和NSF资助的Frontera系统（世界上最快的学术超级计算机），以及位于San Diego的超级计算机中心（SDSC）的彗星集群给予了时间支持。

因为有了这些星团提供的处理能力和数据存储，团队才能够建立宇宙第一代恒星的微弱超新星模型。这展现了在一代恒星之后成型的贫金属恒星通过混合和回落从第一颗超新星喷出的碎片从而提高了碳含量。

他们的模拟还表明，首颗超新星产生的气体云中含有碳质颗粒。这导致了低质量“贫金属”恒星的形成，这些恒星很可能今天仍然存在（将来的调查可能会对其加以研究）
谈到这些星星时， Chiaki说：“我们发现，与已观测到的碳增强恒星相比，这种恒星的铁含量极低，其铁丰度只有太阳的十亿分之一。然而，我们可以从中发现气体云的碎片。这表明低质量恒星形成于低铁丰度区。迄今为止，这样的恒星还未被观测到。我们的研究为首颗恒星的形成提供了假定的见解。 ”

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一项观察了52个亚毫米星系的新研究帮助我们理解宇宙的早期。（来源诺丁汉大学的奥马尔·阿尔米尼。）
【天文|观测不到没关系！美国一研究团队模拟出了宇宙中第一颗恒星！】这些研究是被称为“银河考古学”的一个日渐增长的领域的一部分。如同考古学家借助化石和文物来了解千百年前消失的社会，天文学家们寻找古代恒星并加以研究，以期对那些早已死去的恒星有更深入的认识。

据Chiaki所说，他们下一步将扩大研究范围，不再仅仅局限于古代恒星的碳特征，而是将其他较重的元素纳入模拟中。银河考古学家希望借此获知更多关于宇宙中生命起源和分布的信息。
Chiaki说：研究目的是了解元素的起源，诸如碳、氧和钙。这些元素通过发生在星际媒介和恒星之间重复的物质循环而集中。我们的身体和地球是由碳、氧、氮和钙构成的。这项研究对于帮助了解构成人类的元素的起源意义重大。 ”
作者：MATT WILLIAMS
FY：Astronomical volunteer team
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