130億年前的小星系，藏著第一代恒星留下的痕跡？

大約138億年前，在宇宙剛剛誕生之后，宇宙的化學(xué)成分非常簡單，只包含了大量的氫、氦，以及微量的鋰。像氧、碳等生命所必需的較重元素，在當(dāng)時(shí)尚不存在；它們是在更晚的時(shí)候，于第一代恒星的核心中被“鍛造”出來的。

幾十年來，天文學(xué)家一直試圖尋找第一代恒星開始把孕育生命所需的元素播撒到宇宙之中的那一刻。然而，承載這些年輕原初恒星的最早期星系一直都太小、太暗，以至于要看清它們的化學(xué)組成，曾被認(rèn)為幾乎不可能。

在一項(xiàng)新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，一個(gè)天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)利用韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST），對(duì)早期宇宙中一個(gè)微小、超暗弱的星系LAP1-B進(jìn)行了觀測(cè)。結(jié)果表明，LAP1-B的氧豐度只有太陽的大約二百四十分之一，使其成為迄今發(fā)現(xiàn)的化學(xué)成分最原始的恒星形成星系。

被引力透鏡放大的微光

由于光速有限，JWST觀測(cè)到的是LAP1-B在約130億年前發(fā)出的光；那時(shí)，第一代恒星和星系被認(rèn)為剛形成幾億年。之所以能夠觀測(cè)到LAP1-B，是因?yàn)樗l(fā)出的光被一種稱為“引力透鏡效應(yīng)”的現(xiàn)象放大了100倍：LAP1-B位于星系團(tuán)MACS J0416的后方，這個(gè)星系團(tuán)質(zhì)量極大，其引力場會(huì)像透鏡一樣彎曲周圍的光線，從而把更遙遠(yuǎn)的背景星系放大成像。

然而，即使有這樣的放大效應(yīng)，JWST和哈勃空間望遠(yuǎn)鏡仍未能探測(cè)到LAP1-B中恒星本身發(fā)出的光。于是，天文學(xué)家只能估算LAP1-B中恒星的總質(zhì)量，并給出了一個(gè)上限——不到3300個(gè)太陽質(zhì)量。相比之下，銀河系中恒星的總質(zhì)量約為1000億個(gè)太陽質(zhì)量，而JWST通常研究的星系，恒星質(zhì)量也超過1000萬個(gè)太陽質(zhì)量。

實(shí)際上，LAP1-B的探測(cè)依靠的是另一種光源。大質(zhì)量恒星會(huì)發(fā)出高能輻射，這些輻射可以激發(fā)周圍的氣體云，也就是星云。被激發(fā)后的氣體不會(huì)發(fā)出連續(xù)的光，而是在某些特定波長上發(fā)光，這些特定波長的光就叫發(fā)射線。這些發(fā)射線可以用來識(shí)別氣體云中高度電離的原子種類。這些譜線可以通過JWST等望遠(yuǎn)鏡上的光譜儀器探測(cè)到；因此，發(fā)射線可以作為“星系正在形成恒星”的線索。

幾乎沒有重元素的星系

在LAP1-B中，研究人員觀測(cè)到了氫、氦、碳和氧的發(fā)射線。通過分析這些發(fā)射線的相對(duì)強(qiáng)度，他們推斷了星云的化學(xué)組成，以及為星云提供能量的恒星具有怎樣的性質(zhì)。

測(cè)量結(jié)果顯示，LAP1-B的化學(xué)組成極不尋常：

• 首先，如果用氧氫比來衡量，LAP1-B中的重元素（比鋰更重的元素）總含量只有太陽中的0.4%。這是迄今在仍在活躍形成恒星的星系中發(fā)現(xiàn)的最低比例。

• 其次，LAP1-B 的星云中似乎含有異常豐富的碳。

基于這些異常，研究人員推測(cè)，這些碳來自第一代恒星，也就是一個(gè)至今尚未被直接觀測(cè)到的恒星群體——星族Ⅲ。

星族III恒星

星族III恒星是理論上最早形成的一代恒星，它們完全由大爆炸留下的氫、氦和微量的鋰構(gòu)成。星族III恒星雖然一開始不含重元素，但它們內(nèi)部會(huì)發(fā)生核聚變。核聚變會(huì)把輕元素合成為更重的元素，比如碳、氧等。當(dāng)這些恒星在生命末期爆發(fā)為超新星時(shí)，內(nèi)部合成出的重元素可能會(huì)被拋射到周圍的氣體云，也就是星云中。

此外，星族III恒星也被認(rèn)為質(zhì)量巨大且結(jié)構(gòu)致密。它們內(nèi)部有著更強(qiáng)的引力，可能會(huì)導(dǎo)致能量較低但富含碳的超新星爆發(fā)。綜合來看，這些觀測(cè)表明，LAP1-B似乎是一個(gè)正處在宇宙化學(xué)演化門檻上的星系。

有意思的是，研究人員還探測(cè)到了三重電離碳的發(fā)射線。所謂三重電離碳，是指一個(gè)碳原子已經(jīng)失去了自身6個(gè)電子中的一半。要從碳原子中剝離多個(gè)電子，需要極紫外光子，其能量必須超過47.9電子伏特。這一能量遠(yuǎn)高于普通大質(zhì)量恒星通常發(fā)出的光子能量，暗示著LAP1-B中的一些恒星不僅化學(xué)成分非常原始，而且質(zhì)量可能超過100個(gè)太陽質(zhì)量。

這是LAP1-B中存在星族III恒星的可能證據(jù)，但也可能是存在異常巨大的星族II恒星。

通向最早星系的一扇窗口

不過，這項(xiàng)研究的結(jié)論仍然存在一些不確定性。研究人員認(rèn)為，未來還需要更多研究來確認(rèn)對(duì)這些譜線強(qiáng)度比的解釋。此外，還需要進(jìn)一步工作來判斷，他們看到的LAP1-B距離第一代恒星活躍的時(shí)代到底有多近：這個(gè)系統(tǒng)中的重元素含量比已知最原始的恒星高出10倍，而且較高的碳氧比并非只有第一代恒星才能產(chǎn)生。

盡管存在這些不確定性，LAP1-B 仍然為我們理解第一代恒星和星系提供了迄今JWST揭示出的最佳線索之一。現(xiàn)在，許多尋找類似星系的工作也正在進(jìn)行，它們也同樣利用星系團(tuán)來放大遙遠(yuǎn)宇宙中的天體。

#參考來源：

https://www.nature.com/articles/d41586-026-01151-1

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10374-1

#圖片來源：

封面圖&首圖：NASA, ESA, CSA & K.Nakajima et al., Nature