我们能看到多远的宇宙？如果观测距离不够，那该怎么办？

为什么说计算机技术在天文学起的作用越来越大？

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要观察发现宇宙第一批恒星的形成是非常困难的，为了了解宇宙第一批恒星的形成，佐治亚理工学院相对论天体物理学中心的一组研究人员最近进行了模拟，展示了第一批恒星的形成过程。

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【我们能看到多远的宇宙？如果观测距离不够，那该怎么办？】对天文学家、天体物理学家和宇宙学家来说，总是没有能力发现我们宇宙中形成的初代恒星。一方面，我们现存的望远镜和天文台有限制，只能看到这么远，到目前为止，我们观测到的最远天体是MACS1149-JD星系，此星系距离地球132亿光年，在哈勃极深空（HubbleeXtremeDeepField ， XDF）的图像中被发现。

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另一方面，在宇宙大爆炸后的10亿年内，宇宙正经历着宇宙学家所谓的“黑暗时代”（DarkAges），在这一时期宇宙内充满了能遮蔽可见光和红外光的气体云。幸运的是，来自佐治亚理工学院的相对论天体物理学中心的一个研究团队，最近模拟出了初代恒星的形成过程。

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这份描述他们发现的研究成果发表在了《皇家天文学会月报》（MNRAS）上，团队由博士后研究员千秋元（GenChiaki）和副教授约翰·怀斯（JohnWise）领导，研究成员来自罗马大学、罗马天文台、意大利国家天体物理学研究所(INAF)和意大利国家核子物理学研究所(INFN) 。

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图解：哈勃极深空（HubbleeXtremeDeepField ， XDF）图像。图源：美国国家航空航天局
天体物理学家根据恒星的生死周期推测到：宇宙中的第一批恒星非常缺乏金属。大约在宇宙大爆炸后的1亿年后，这些恒星由氢气、氦、微量的轻金属所组成的原始混合物所形成，这些混合物的坍塌会形成质量比我们的太阳大1000倍的恒星。
这些恒星因为体量太大不能活很久，大概只能存在几百万年，在这段时间内，这些恒星的核反应会产生新的且更重的元素，随着恒星的坍缩并最终发生超新星爆炸，这些新元素就会分散到宇宙各处。结果是，下一代的恒星会有着碳这样更重的元素，成为碳增强金属贫（Carbon-EnhancedMetal-Poor）恒星。

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来自初代恒星的更重的元素的核合成（核聚变）决定了这些恒星的构成，现今天文学家有可能看到这些恒星的构成。通过研究这些金属贫恒星形成的背后机制，科学家能推断出在宇宙的“黑暗时代” ，初代恒星形成时发生了什么。正如怀斯在一场得克萨斯州高级计算机中心（TACC）的新闻发布会上所说：
“我们看不到最初的那代恒星，因此，关键是要实际观察那些来自宇宙初期的活化石（第二代恒星），因为这些恒星上遍布着初代恒星的指纹，即初代恒星发生超新星爆炸后所产生的化学物质。 ”

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“我们的模拟起作用的地方就在于让人看到这过程的发生。你运行模拟程序后，就能看到一部短片，里面能看到金属来自哪里，看到初代恒星和它们的超新星爆炸如何影响这些存活到今天的活化石。 ”
图解：密度、温度、碳丰富度（图上部）和PopIII恒星的形成周期（图下部）。图源：千秋元等人
研究团队的模拟计算主要依赖于佐治亚理工学院高级计算环境合作伙伴关系计算机集群，此外，美国国家科学基金会（NSF）、极端科学与工程发现环境计算机集群（XSEDE）、得克萨斯州高级计算机中心的超级计算机狂奔2（Stampede2）、美国国家科学基金会资助的弗龙特拉（Frontera）系统（全世界最快的学术型超级计算机）、圣地亚哥超级计算机中心（SDSC）的彗星（Comet）计算机集群等也为模拟提供了支持。

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有了这些计算机集群提供的超强计算能力和海量数据存储空间，研究团队得以模拟出宇宙中初代恒星中的微弱超新星爆炸（faintsupernova）。模拟揭示出：宇宙中初代恒星后形成的贫金属恒星，在和初代恒星超新星爆炸后喷出的物质混合后，碳含量增强了。
模拟也显示出初代恒星超新星爆炸后产生的气体云，播下了碳元素的颗粒，导致形成了低质量的“千兆金属贫”（giga-metal-poor）恒星，这种恒星今天很可能仍然存在（未来的探索能研究这种恒星）。对于这种恒星，千秋元说道：
“和观察到的碳增强恒星相比，我们发现这种恒星的含铁量很低，只有太阳系铁丰度的几十亿分之一。然而，我们能看到气体云的碎片，这表明这些低质量恒星是在低铁丰度的状态下形成的，但这样的恒星还从未被观察到。总

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之，我们的研究给了我们初代恒星形成的理论性见解。 ”
图解：一项检视了52个亚毫米星系的新研究帮助我们理解早期的宇宙。图源：诺丁汉大学的奥马尔·阿尔梅尼（OmarAlmaini）。
这些调查是“银河考古学”这个新兴领域的一部分。就像考古学家仰仗于保留下来的化石和历史文物来研究几个世纪或一千年前消失的社会一样，天文学家为了研究那些早已湮灭的恒星，也在寻找古老的恒星来研究。

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根据千秋元的说法，下一步不会限制在古老恒星的碳特征上，其他较重的元素也将整合到更大的模拟中。银河考古学家希望通过这么做，能知道到更多我们宇宙中生命起源和分布的信息。千秋元说：
“我们研究的目标是弄清楚像碳、氧、钙这些元素的起源，这些元素通过星际间和恒星间不断重复的物质循环集中起来，我们的身体和星球都是由碳、氧、氮和钙构成的，因此对帮助理解这些构成我们人类的元素的起源，我们的研究至关重要。 ”
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参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.原文来自：原文来自：https://www.sciencealert.com/simulation-reveals-what-the-first-stars-looked-like-as-they-formed
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