第一代超大質(zhì)量恒星演化成為對(duì)不穩(wěn)定超新星的藝術(shù)展示圖。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)供圖
近日，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)國(guó)際團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)重要成果。研究團(tuán)隊(duì)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”存在的化學(xué)證據(jù)。該成果證實(shí)，這一超新星源自一顆質(zhì)量高達(dá)太陽(yáng)260倍的第一代恒星，刷新了人們對(duì)第一代恒星質(zhì)量分布的認(rèn)知。
理論研究表明，宇宙大爆炸之后誕生的第一代恒星，其質(zhì)量可以達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的數(shù)百倍，但此前一直未能從觀測(cè)上發(fā)現(xiàn)相關(guān)證據(jù)。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。長(zhǎng)期以來(lái)，銀河系考古領(lǐng)域一直致力于通過(guò)貧金屬星來(lái)研究第一代恒星，部分金屬含量低于太陽(yáng)的百分之一的極貧金屬星，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。
之前發(fā)現(xiàn)的極貧金屬星，保留了核坍縮超新星的核合成產(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。與核坍縮超新星相比，對(duì)不穩(wěn)定超新星的產(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)出極其罕見的化學(xué)豐度模式。
“銀河系化學(xué)演化正是本研究團(tuán)隊(duì)的重要研究方向之一。我們可以通過(guò)觀測(cè)分析具有不同年齡恒星的元素豐度來(lái)再現(xiàn)銀河系化學(xué)演化規(guī)律?！闭撐耐ㄓ嵶髡呲w剛研究員表示，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，揭示了對(duì)不穩(wěn)定超新星在宇宙早期化學(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。
據(jù)論文第一作者邢千帆博士介紹，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）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（LAMOSTJ1010+2358）。該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。
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，并為超過(guò)100倍太陽(yáng)質(zhì)量的第一代超大質(zhì)量恒星形成和演化的觀測(cè)研究指明了方向。同時(shí)，對(duì)不穩(wěn)定超新星的前身星質(zhì)量大、壽命短，小于幾百萬(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。
“我們期待亞洲天文學(xué)家能夠取得更多的重大發(fā)現(xiàn)，讓我們更深刻地理解：世界和我們身體里的原子核是在何時(shí)、何地、以何種方式合成的，它們?cè)谟钪嫜莼杏制鸬搅嗽鯓拥年P(guān)鍵作用?！北本┖娇蘸教齑髮W(xué)教授、宇宙學(xué)和理論核天體物理外籍專家梶野敏貴說(shuō)。
《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)。國(guó)家天文臺(tái)趙剛研究團(tuán)隊(duì)期待未來(lái)能夠利用LAMOST和中國(guó)空間站工程巡天望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)更多化學(xué)豐度特殊的恒星，使人們可以通過(guò)對(duì)第一代恒星遺跡的分析，進(jìn)一步確定恒星初始質(zhì)量函數(shù)，加深對(duì)銀河系演化歷史的理解。
