艺术图版权：中国科学院国家天文台
北京时间6月7日，国际学术期刊《自然》在线发表了中国科学院国家天文台赵刚研究员带领的国际团队的一项重要成果。研究团队率先在银晕恒星中发现了第一代超大质量恒星演化后坍缩形成的对不稳定超新星（pair-instability supernova, PISN）存在的化学证据。在此之前，理论研究曾预言这种特殊超新星的存在，但从未被观测发现。该成果证实这一超新星源自于一颗质量高达260倍太阳质量的第一代恒星，刷新了人们对第一代恒星质量分布的认知。
通过保留在第二代恒星里的父辈恒星演化产物能够追踪其父辈恒星的性质
第一代恒星给宇宙带来第一缕曙光，是终结黑暗时代的起始点，主导着早期宇宙化学增丰过程和演化历史。理论预言第一代恒星的寿命极短，只存在于高红移的宇宙之中，因此直接观测到第一代恒星的难度极大。
超新星是指恒星在演化的最后阶段发生了剧烈的爆炸。这个爆炸的事件被称为超新星爆发。
恒星结构演化理论是现代天文学研究的重要理论基础。依据该理论，宇宙中的恒星在生命末期会经历几种类型的超新星爆发，例如中小质量恒星演化形成的白矮星的热核爆发、大质量恒星中心铁核塌缩爆发以及超大质量恒星晚期氧硅核燃烧引起的对不稳定超新星爆发。
超新星爆发时把恒星演化时合成的元素以及爆发时形成的更重的元素抛射到星际空间中，从而极大地改变爆发星体周围的星际气体的物质成分。
“换句话说，这些气体受到超新星爆发喷射出的重元素污染而变得比之前金属元素含量高很多，气体在引力的作用下重新凝聚形成新一代恒星也因而具有较高的金属含量，它们携带了父辈恒星演化及爆发形成的元素印记。”清华大学教授王晓锋说，“这些元素印记能帮助我们追踪其父辈恒星的性质以及其爆发死亡的物理机制。这好比我们通过查孩子的DNA能够追寻其父母的特性。”
长期以来，银河系考古领域一直致力于通过极贫金属星（金属含量低于太阳的百分之一）来研究第一代恒星。
国家天文台副研究员、论文第一作者邢千帆说：“之所以选择贫金属星为目标，是因为部分极贫金属星可能诞生于第一代恒星终结时形成的气体云，其化学丰度完整保留了第一代恒星演化产物的特征，从而使我们能够利用这些‘活化石’揭示第一代恒星的演化历史。”
首次从观测上证实了对不稳定超新星的存在
理论研究表明，第一代恒星的质量可以达到太阳质量的数百倍，但人们一直未能从观测上发现相关证据。
邢千帆告诉记者，通常发现的极贫金属星保留了核坍缩超新星（core-collapse supernova, CCSN）的核合成产物，但这些超新星的前身星普遍小于100倍太阳质量。对于质量介于140-260倍太阳质量的第一代恒星而言，其核心处产生的正负电子对会减弱恒星内部辐射压力，并导致恒星坍缩形成一种特殊的超新星，即对不稳定超新星。
邢千帆进一步解释说：“与核坍缩超新星相比，对不稳定超新星产物具有极为特殊的化学组成，在其演化后形成的气体云中诞生的第二代恒星会展现出极其罕见的化学丰度模式。”
然而，自上个世纪60年代提出对不稳定的超新星模型以来，一致缺乏直接的观测证据。
2022年研究团队结合郭守敬望远镜低分辨率光谱和日本昴星团（Subaru）望远镜高分辨率光谱数据发现了一颗化学丰度极为特殊的恒星（LAMOST J1010+2358）。这颗恒星具有目前已知最低的钠含量，其化学丰度还显示出了强烈的“奇偶效应”，即原子序数为奇数的元素含量远低于相邻的原子序数为偶数的元素含量。此外，该恒星基本不含锶、钡等中子俘获元素，几乎未受到中子俘获过程的影响。
赵刚说：“这些化学丰度特征无法通过核坍缩超新星理论模型解释，却与260倍太阳质量的对不稳定超新星理论计算结果高度吻合。这就意味着我们在这颗恒星上找到了对不稳定超新星存在的化学证据。”
研究团队表示，这一发现首次从观测上证实了对不稳定超新星的存在，并为第一代超大质量恒星（超过100倍太阳质量）形成和演化的观测研究指明了方向。同时，对不稳定超新星的前身星质量大、寿命短，小于300万年，在其爆发后诞生的恒星极可能是迄今发现的最为古老的第二代恒星。
为第一代超大质量恒星形成和演化的观测研究指明了方向
赵刚团队长期从事天体丰度的研究工作，建立了大规模贫金属星的高分辨率光谱观测样本，完成了对其化学丰度的系统性定量分析，为这一发现提供了坚实的基础。
赵刚称，此项研究从观测上证实第一代恒星的质量可以达到太阳质量的数百倍，揭示了PISN在宇宙早期化学增丰过程中的贡献，对研究第一代恒星的初始质量函数意义重大，并将对元素起源、宇宙早期的恒星形成和星系化学演化等方面的研究产生深远影响。
《自然》期刊审稿人评价该成果第一次为对不稳定超新星与银晕恒星化学丰度之间的联系提供了决定性证据。
日本国立天文台教授青木和光说：“这项研究成果发现的这颗恒星具有极为独特的元素丰度，为证明第一代超大质量恒星的超新星爆发提供了最为清晰的证据。”
北京航空航天大学教授梶野敏贵认为，这一发现，以及未来许多可预期的发现，将会揭示早期宇宙中超大质量黑洞形成的未知机制。
王晓峰说：“这项研究从非常独特的角度首次给出了宇宙早期大质量恒星经历过对不稳定超新星爆发的关键证据，对验证超新星爆发模型以及限制宇宙早期恒星形成理论均有极为重要的意义。”
作者：吴月辉
来源： 人民日报客户端
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