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藝術(shù)圖版權(quán)：中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)

(資料圖片)

北京時(shí)間6月7日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)趙剛研究員帶領(lǐng)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)重要成果。研究團(tuán)隊(duì)率先在銀暈恒星中發(fā)現(xiàn)了第一代超大質(zhì)量恒星演化后坍縮形成的對(duì)不穩(wěn)定超新星（pair-instability supernova, PISN）存在的化學(xué)證據(jù)。在此之前，理論研究曾預(yù)言這種特殊超新星的存在，但從未被觀測(cè)發(fā)現(xiàn)。該成果證實(shí)這一超新星源自于一顆質(zhì)量高達(dá)260倍太陽(yáng)質(zhì)量的第一代恒星，刷新了人們對(duì)第一代恒星質(zhì)量分布的認(rèn)知。

通過(guò)保留在第二代恒星里的父輩恒星演化產(chǎn)物能夠追蹤其父輩恒星的性質(zhì)

第一代恒星給宇宙帶來(lái)第一縷曙光，是終結(jié)黑暗時(shí)代的起始點(diǎn)，主導(dǎo)著早期宇宙化學(xué)增豐過(guò)程和演化歷史。理論預(yù)言第一代恒星的壽命極短，只存在于高紅移的宇宙之中，因此直接觀測(cè)到第一代恒星的難度極大。

超新星是指恒星在演化的最后階段發(fā)生了劇烈的爆炸。這個(gè)爆炸的事件被稱為超新星爆發(fā)。

恒星結(jié)構(gòu)演化理論是現(xiàn)代天文學(xué)研究的重要理論基礎(chǔ)。依據(jù)該理論，宇宙中的恒星在生命末期會(huì)經(jīng)歷幾種類型的超新星爆發(fā)，例如中小質(zhì)量恒星演化形成的白矮星的熱核爆發(fā)、大質(zhì)量恒星中心鐵核塌縮爆發(fā)以及超大質(zhì)量恒星晚期氧硅核燃燒引起的對(duì)不穩(wěn)定超新星爆發(fā)。

超新星爆發(fā)時(shí)把恒星演化時(shí)合成的元素以及爆發(fā)時(shí)形成的更重的元素拋射到星際空間中，從而極大地改變爆發(fā)星體周圍的星際氣體的物質(zhì)成分。

“換句話說(shuō)，這些氣體受到超新星爆發(fā)噴射出的重元素污染而變得比之前金屬元素含量高很多，氣體在引力的作用下重新凝聚形成新一代恒星也因而具有較高的金屬含量，它們攜帶了父輩恒星演化及爆發(fā)形成的元素印記?！鼻迦A大學(xué)教授王曉鋒說(shuō)，“這些元素印記能幫助我們追蹤其父輩恒星的性質(zhì)以及其爆發(fā)死亡的物理機(jī)制。這好比我們通過(guò)查孩子的DNA能夠追尋其父母的特性?！?/p>

長(zhǎng)期以來(lái)，銀河系考古領(lǐng)域一直致力于通過(guò)極貧金屬星（金屬含量低于太陽(yáng)的百分之一）來(lái)研究第一代恒星。

國(guó)家天文臺(tái)副研究員、論文第一作者邢千帆說(shuō)：“之所以選擇貧金屬星為目標(biāo)，是因?yàn)椴糠謽O貧金屬星可能誕生于第一代恒星終結(jié)時(shí)形成的氣體云，其化學(xué)豐度完整保留了第一代恒星演化產(chǎn)物的特征，從而使我們能夠利用這些‘活化石’揭示第一代恒星的演化歷史?！?/p>

首次從觀測(cè)上證實(shí)了對(duì)不穩(wěn)定超新星的存在

理論研究表明，第一代恒星的質(zhì)量可以達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的數(shù)百倍，但人們一直未能從觀測(cè)上發(fā)現(xiàn)相關(guān)證據(jù)。

邢千帆告訴記者，通常發(fā)現(xiàn)的極貧金屬星保留了核坍縮超新星（core-collapse supernova, CCSN）的核合成產(chǎn)物，但這些超新星的前身星普遍小于100倍太陽(yáng)質(zhì)量。對(duì)于質(zhì)量介于140-260倍太陽(yáng)質(zhì)量的第一代恒星而言，其核心處產(chǎn)生的正負(fù)電子對(duì)會(huì)減弱恒星內(nèi)部輻射壓力，并導(dǎo)致恒星坍縮形成一種特殊的超新星，即對(duì)不穩(wěn)定超新星。

邢千帆進(jìn)一步解釋說(shuō)：“與核坍縮超新星相比，對(duì)不穩(wěn)定超新星產(chǎn)物具有極為特殊的化學(xué)組成，在其演化后形成的氣體云中誕生的第二代恒星會(huì)展現(xiàn)出極其罕見(jiàn)的化學(xué)豐度模式?！?/p>

然而，自上個(gè)世紀(jì)60年代提出對(duì)不穩(wěn)定的超新星模型以來(lái)，一致缺乏直接的觀測(cè)證據(jù)。

2022年研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合郭守敬望遠(yuǎn)鏡低分辨率光譜和日本昴星團(tuán)（Subaru）望遠(yuǎn)鏡高分辨率光譜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了一顆化學(xué)豐度極為特殊的恒星（LAMOST J1010+2358）。這顆恒星具有目前已知最低的鈉含量，其化學(xué)豐度還顯示出了強(qiáng)烈的“奇偶效應(yīng)”，即原子序數(shù)為奇數(shù)的元素含量遠(yuǎn)低于相鄰的原子序數(shù)為偶數(shù)的元素含量。此外，該恒星基本不含鍶、鋇等中子俘獲元素，幾乎未受到中子俘獲過(guò)程的影響。

趙剛說(shuō)：“這些化學(xué)豐度特征無(wú)法通過(guò)核坍縮超新星理論模型解釋，卻與260倍太陽(yáng)質(zhì)量的對(duì)不穩(wěn)定超新星理論計(jì)算結(jié)果高度吻合。這就意味著我們?cè)谶@顆恒星上找到了對(duì)不穩(wěn)定超新星存在的化學(xué)證據(jù)。”

研究團(tuán)隊(duì)表示，這一發(fā)現(xiàn)首次從觀測(cè)上證實(shí)了對(duì)不穩(wěn)定超新星的存在，并為第一代超大質(zhì)量恒星（超過(guò)100倍太陽(yáng)質(zhì)量）形成和演化的觀測(cè)研究指明了方向。同時(shí)，對(duì)不穩(wěn)定超新星的前身星質(zhì)量大、壽命短，小于300萬(wàn)年，在其爆發(fā)后誕生的恒星極可能是迄今發(fā)現(xiàn)的最為古老的第二代恒星。

為第一代超大質(zhì)量恒星形成和演化的觀測(cè)研究指明了方向

趙剛團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事天體豐度的研究工作，建立了大規(guī)模貧金屬星的高分辨率光譜觀測(cè)樣本，完成了對(duì)其化學(xué)豐度的系統(tǒng)性定量分析，為這一發(fā)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

趙剛稱，此項(xiàng)研究從觀測(cè)上證實(shí)第一代恒星的質(zhì)量可以達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的數(shù)百倍，揭示了PISN在宇宙早期化學(xué)增豐過(guò)程中的貢獻(xiàn)，對(duì)研究第一代恒星的初始質(zhì)量函數(shù)意義重大，并將對(duì)元素起源、宇宙早期的恒星形成和星系化學(xué)演化等方面的研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

《自然》期刊審稿人評(píng)價(jià)該成果第一次為對(duì)不穩(wěn)定超新星與銀暈恒星化學(xué)豐度之間的聯(lián)系提供了決定性證據(jù)。

日本國(guó)立天文臺(tái)教授青木和光說(shuō)：“這項(xiàng)研究成果發(fā)現(xiàn)的這顆恒星具有極為獨(dú)特的元素豐度，為證明第一代超大質(zhì)量恒星的超新星爆發(fā)提供了最為清晰的證據(jù)?！?/p>

北京航空航天大學(xué)教授梶野敏貴認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)，以及未來(lái)許多可預(yù)期的發(fā)現(xiàn)，將會(huì)揭示早期宇宙中超大質(zhì)量黑洞形成的未知機(jī)制。

王曉峰說(shuō)：“這項(xiàng)研究從非常獨(dú)特的角度首次給出了宇宙早期大質(zhì)量恒星經(jīng)歷過(guò)對(duì)不穩(wěn)定超新星爆發(fā)的關(guān)鍵證據(jù)，對(duì)驗(yàn)證超新星爆發(fā)模型以及限制宇宙早期恒星形成理論均有極為重要的意義?！?/p>

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