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科学家发现第一代超大质量恒星存在的证据,质量为太阳260倍

发表时间:2023-06-08 15:24作者:张渺来源:中国青年网

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中国青年报客户端北京6月7日电(中青报·中青网记者 张渺)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”存在的化学证据。该成果证实,这一超新星源自一颗质量高达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。


理论研究表明,宇宙大爆炸之后诞生的第一代恒星,其质量可以达到太阳质量的数百倍,但此前一直未能从观测上发现相关证据。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。长期以来,银河系考古领域一直致力于通过贫金属星来研究第一代恒星,部分金属含量低于太阳的百分之一的极贫金属星,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。


之前发现的极贫金属星,保留了核坍缩超新星的核合成产物,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。与核坍缩超新星相比,对不稳定超新星的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。


“银河系化学演化正是本研究团队的重要研究方向之一。我们可以通过观测分析具有不同年龄恒星的元素丰度来再现银河系化学演化规律。”论文通讯作者赵刚研究员表示,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,揭示了对不稳定超新星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。


据论文第一作者邢千帆博士介绍,研究团队结合郭守敬望远镜(LAMOST)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)。该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。


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。


这一发现,首次从观测上证实了对不稳定超新星的存在,并为超过100倍太阳质量的第一代超大质量恒星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,小于几百万年,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。


“我们期待亚洲天文学家能够取得更多的重大发现,让我们更深刻的理解:世界和我们身体里的原子核是在何时、何地、以何种方式合成的,它们在宇宙演化中又起到了怎样的关键作用。”北京航空航天大学教授、宇宙学和理论核天体物理外籍专家梶野敏贵说。


哈佛大学前天文系主任阿维·勒布认为,发现对不稳定超新星的证据是贫金属星研究领域的圣杯之一。《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。国家天文台赵刚研究团队期待未来能够利用LAMOST和中国空间站工程巡天望远镜发现更多化学丰度特殊的恒星,使人们可以通过对第一代恒星遗迹的分析,进一步确定恒星初始质量函数,加深对银河系演化历史的理解。(图片来源:中国科学院国家天文台)

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