为什么早期宇宙看起来如此奇异
当天文学家凝视数十亿光年之外时，他们看到的是过去的时光，而他们所见的与我们宇宙邻近区域中那些整齐的螺旋星系和椭圆星系并不相符。早期宇宙中的星系，以及在其中燃烧的恒星，显得明显更加怪异，研究人员长期以来一直想弄清其中的原因。犹他大学的一个团队从一个不同寻常的角度切入这个问题：他们不是只关注哈勃能够探测到的最暗淡、最遥远的天体，而是研究附近的恒星，将其作为古老恒星的替代样本。
宇宙中最早的恒星在大爆炸后约1亿年开始形成。它们生命短暂、英年早逝，并将它们制造的元素散布回太空，这些物质随后被回收进入后代恒星。在此过程中，它们重塑了承载它们的星系，这一反馈过程至今仍让天文学家努力进行详细建模。
通往遥远过去的邻近捷径
在犹他大学物理学助理教授兼天文学家Grace Telford的带领下，该团队开展了一项名为“极端贫金属O型星宝库”（Treasury of Extremely Metal-Poor O Stars，简称TEMPOS）的巡天观测。该巡天并非试图捕捉130多亿年前闪耀的恒星发出的微弱光芒，而是考察相对较近星系中的恒星，这些恒星与它们的古老对应天体共享重要的物理特征。
这些观测依赖于从那些恒星流出的紫外光，并使用哈勃空间望远镜上的宇宙起源光谱仪进行探测。紫外辐射为了解最炽热、最大质量的恒星提供了一个关键窗口，而其中大部分被地球大气层阻挡，这正是哈勃位于大气层之上的有利位置对此类工作如此重要的原因。
解读古老恒星的指纹
在天文学中，称一颗恒星为贫金属，并不意味着它在日常意义上缺乏铁或镍。它意味着该恒星只含有任何比氦更重的元素的痕量。婴儿宇宙几乎完全由氢和氦组成，因此最早的恒星几乎没有更重的元素可供利用。通过定位具有类似低金属含量的本地恒星，Telford的团队正在汇编一个数据集，使这些条件下的物理过程能够被仔细研究，而这对位于可观测宇宙边缘的天体来说是不可能直接做到的。
大质量恒星的巨大影响
TEMPOS所瞄准的恒星质量巨大，而这一特征对星系如何演化至关重要。Telford解释说，像这样的恒星燃烧得极其炽热明亮，迅速耗尽燃料，并以超新星爆炸结束其短暂生命，向其周围的气体中注入大量能量和物质。通过这一过程，它们加热周围气体，并调节其中有多少气体能够保持足够冷却以坍缩并形成新恒星，从而有效地支配其宿主星系的演化路径。
这种调节作用正是早期宇宙看起来与我们所在的宇宙如此不同的原因之一。当大质量恒星很常见时，它们可以抑制或触发一波又一波的恒星形成，使星系呈现出不寻常的形状、颜色和恒星族群。因此，理解最初几代恒星的行为，直接关系到理解最初星系是如何组装起来的。
从O型巨星到沃尔夫-拉叶星风
O型星位居宇宙中最大、最明亮的恒星之列，按恒星标准来看，它们寿命很短。其中一些在接近生命终点时会变成沃尔夫-拉叶星，通过强大的星风向太空抛射大量物质。这些星风剥离恒星的外层，露出其炽热的内部区域。对沃尔夫-拉叶星系统（包括双星对）的观测，有助于天文学家理解塑造大质量恒星最终篇章的剧烈质量损失，以及它们留下的化学增丰。
哈勃对时间的漫长回望
尽可能回溯宇宙时间一直是哈勃空间望远镜自1995年首次深场巡天以来的核心任务。即使在那些早期图像中，微小而遥远的星系看起来也很古怪，与我们近处看到的星系并不完全相符。这种不匹配提出了一个至今仍推动研究的先有鸡还是先有蛋的问题：是恒星先形成，还是星系先形成？
证据指向恒星先出现。最早的恒星很可能是庞然大物，由婴儿宇宙中大量可用的氢形成，其质量是太阳的十倍以上。它们巨大的体积和光度意味着它们剧烈地生活并迅速死亡，为宇宙播下更重元素的种子，并为随后出现的星系奠定基础。这第一代恒星被称为第三星族星，它们在大爆炸后几亿年形成，如今实际上已不可见，因为它们很久以前就消失了。
为什么这对星系演化很重要
通过识别本地贫金属O型星并研究其紫外光谱，TEMPOS团队正在汇编某种类似参考库的东西，即一组附近天体，其测得的行为可以为最早恒星世代的模型提供信息。基于类比恒星建立的模型，为天文学家提供了一种推理他们永远无法直接观测的恒星的方法。
- 更好的第三星族星模型：附近的贫金属O型星为质量、温度和质量损失率提供了可测量的基准，这些基准可以按比例外推到第一代恒星。
- 更清晰的星系组装图景：由于大质量恒星调节可用于恒星形成的气体，它们的行为决定了星系在何时何地构建新恒星。
- 改进对遥远观测的解读：当哈勃及其后继者捕捉到遥远星系的光时，受TEMPOS启发的模型有助于解释所看到的内容。
- 跨越宇宙时间的桥梁：该巡天将今天可以细致研究的恒星与塑造宇宙最初星系、却无法触及的恒星联系起来。
前路展望
TEMPOS数据集正被用于挑选值得进行更深入天体物理研究的恒星，而每一个新目标都为越来越细致的大质量贫金属恒星行为图景增添细节。这项工作不仅仅满足对遥远过去的好奇心；它还磨砺了天文学家用来解读每一张新深场图像的理论工具，从哈勃的档案到未来的天文台。
在我们想象中，早期宇宙仍是一个奇异之地，一个由巨大而短命恒星组成的宇宙，它们的爆炸照亮了年轻星系，并使其周围气体增丰。Telford和她的同事正努力让这种奇异性变得可读，一颗恒星接一颗恒星，利用最接近的可用类比对象，重建银河系成形很久之前就已结束的宇宙历史篇章。
本文基于Universe Today的报道。阅读原文。
Originally published on universetoday.com