银河考古学:超级计算机挖掘第一颗恒星化石

　　还没有人发现第一颗恒星。

　　据推测，它们是在宇宙大爆炸后大约1亿年，由氢、氦和微量轻金属等原始气体在宇宙黑暗中形成的。这些气体冷却、坍缩并点燃成比我们的太阳大1000倍的恒星。恒星越大，它们燃烧得越快。第一批恒星可能只活了几百万年，大约138亿年，这只是宇宙年龄的沧海一粟。他们不太可能被观察到，迷失在时间的迷雾中。

　　随着第一批无金属恒星坍塌并爆炸成超新星，它们锻造了更重的元素，如碳，从而孕育了下一代恒星。第二种恒星被称为碳增强贫金属恒星。对天体物理学家来说，它们就像化石。它们的组成反映了来自第一批恒星的较重元素的核合成或融合。

　　佐治亚理工学院物理学院相对论天体物理中心的博士后研究员基根说:“我们可以从间接测量中获得结果，从贫金属恒星的元素丰度中获得无金属恒星的质量分布。”

　　Chiaki是一项研究的主要作者，该研究发表在2020年9月出版的《皇家天文学会月报》上。这项研究首次模拟了不含金属的第一颗恒星的微弱超新星，通过喷射出的碎片的混合和后退，产生了碳增强的丰度模式。

　　他们的模拟还显示，碳质颗粒引发了产生的气体云的分裂，导致形成了低质量的“缺乏千兆金属”的恒星，这些恒星可以生存到今天，并可能在未来的观测中发现。

　　“我们发现，与观测到的铁含量只有太阳的十亿分之一的碳增强恒星相比，这些恒星的铁含量非常低。然而，我们可以看到气体云的碎片。这表明低质量恒星形成于一个低铁丰度的区域。这样的恒星从未被观测过。我们的研究给了我们关于第一颗恒星形成的理论见解，”Chiaki说。

　　怀斯和奇基的调查是一个名为“银河考古学”的领域的一部分他们把它比作寻找地下文物，这些文物揭示了早已消失的社会的特征。对天体物理学家来说，早已消失的恒星的特征可以从它们的化石残骸中揭示出来。

　　“我们看不到第一代恒星，”该研究的合著者约翰·怀斯说，他也是佐治亚理工学院物理学院相对论天体物理中心的副教授。“因此，实际观察这些来自早期宇宙的活化石很重要，因为它们通过第一颗恒星超新星产生的化学物质，在上面留下了第一颗恒星的指纹。”

　　“这些老恒星有一些无金属恒星核合成的指纹。Chiaki说:“这对我们寻找早期宇宙中发生的核合成机制是一个提示。

　　“这就是我们的模拟开始看到这种情况发生的地方。怀斯说:“运行模拟后，你可以看一部短片，看看金属来自哪里，第一颗恒星及其超新星实际上是如何影响这些活到今天的化石的。”

　　科学家们首先模拟了他们的第一颗恒星，称为人口三号或人口三号恒星的形成，并运行了三种不同的模拟，对应于其在13.5、50和80个太阳质量下的质量。模拟解决了辐射转移的主要序列，然后在它死亡成为超新星之后。最后一步是演变超新星喷出的分子云的坍塌，这涉及到100个反应和50个物种(如一氧化碳和水)的化学网络。