寻找宇宙中的第一颗恒星

望远镜是时光机，天文学家正在利用它们寻找宇宙中最早形成的恒星。这些早期恒星被称为第三族恒星，它们对于塑造我们今天所知的宇宙至关重要。

在宇宙诞生的早期，还没有恒星照亮整个宇宙。当时被称为“黑暗时代”，即大爆炸后数十万年，只有最轻的元素（主要是氢和氦）形成，散布在黑暗、寒冷的雾霭中，遍布整个新生的宇宙。

在随后的一亿年中的某个时刻，第一批恒星从氢和氦雾中聚结，照亮了宇宙并聚集成第一批星系。这一时期（从第一批恒星诞生到大爆炸后约 10 亿年）被称为再电离时期。

加州大学洛杉矶分校天文学家威廉·莱克说：“从充满氢和氦的黑暗宇宙到如今的星系、恒星、行星和金属的转变是一个非常根本的过程。”由于第三星族恒星是第一批推动宇宙发生这些根本性变化的恒星，“它们创造了我们星系中恒星形成的条件和元素丰度，”他补充道。

那些早期的第三族恒星与我们的太阳等恒星完全不同，因为数十亿年前它们诞生时的宇宙条件完全不同。今天的恒星通常含有各种较重的元素，包括碳、氮、氧和铁——但第三族恒星诞生时这些元素都不存在。恒星核心内部的强烈宇宙熔炉中尚未形成较重的元素。

莱克说，由于大气中没有这些额外元素，第三族恒星缺乏强大的恒星风，它们会“平均质量比今天的恒星更大”。 “这也意味着它们又热又亮，寿命很短。所以，我们今天在周围看不到它们——它们很久以前就死了。” 第三族恒星死亡后，会在此过程中产生一些金属，然后它们会将这些元素播撒在宇宙中，供后代使用。

但是，我们怎么可能研究数十亿年前消亡的恒星祖先呢？由于光速有限，光从遥远的宇宙到达我们需要时间。这实际上使望远镜成为一种“回溯机器”，远处的物体看起来就像光第一次开始其漫长的旅程时一样。对于距离我们四光年的恒星（比如我们最近的邻居比邻星），我们看到的是它四年前的样子。对于距离我们120 亿光年的恒星，我们会看到它 120 亿年前的样子，大约在再电离时期——尽管这是一个更难的观测。事实上，困难是如此之大，以至于我们还没有真正看到过任何第三星族恒星。

之所以如此困难，部分原因是遥远宇宙中的一切都是红色的。随着时空结构本身的拉伸，它会拉伸光波，使其在到达我们身边时向红外甚至微波方向移动。这意味着我们需要一个专门的望远镜来观察红外线，以便能够发现这些非常早期的恒星和星系。天文学家刚刚获得了有史以来最大、最好的望远镜：NASA 的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)。

JWST 无法追溯到宇宙的最初阶段，但它可以追溯到相当遥远的宇宙——宇宙诞生后仅 10 亿年，即再电离时期。尽管当时第三族恒星完全活着，但它们开始隐藏在更“正常”的恒星中，即下一代第二族恒星。此外，观测如此遥远的恒星还有一个挑战：从我们的角度来看，任何距离我们如此遥远的物体都非常小，而且非常暗淡。

因此，我们不太可能看到单个第三星族恒星，但天文学家仍然对如何找到这些难以捉摸的早期恒星的证据有一些想法。借助詹姆斯·韦伯太空望远镜，他们希望依靠宇宙本身的额外放大作用——引力透镜，即光线在太空中绕着大物体弯曲——但这种方法需要一点运气。与我们可以指向任何方向的望远镜不同，多个我们无法控制的巨大物体必须偶然地在天文距离上排列，才能使遥远的恒星受到引力透镜的影响；也就是说，我们不能随意制造引力透镜，它必须由宇宙提供。

也有机会在距离我们更近的地方发现这些恒星，也就是宇宙历史的十亿年后，但由于周围还有许多其他现代恒星，这有点像大海捞针。不过，天文学家确实有一些线索可以指引我们去哪里寻找。加州大学洛杉矶分校的天文学家萨希尔·海格德解释说：“一些模拟发现，流入大星系边缘的原始气体可能会刺激第三族恒星的形成。”另一个可以寻找的地方是矮星系，它们在一段时间前就停止了恒星的形成，因此在寻找第三族恒星的过程中，我们需要筛选的干草可能更少。海格德补充道：“原则上，你也可以寻找来自第三族双黑洞的引力波背景，但这需要像爱因斯坦望远镜这样的下一代引力波天文台。”

到目前为止，天文学家确实已经用詹姆斯韦伯太空望远镜发现了一颗可能的第三星族恒星，即 Earendel。这颗恒星诞生于大爆炸后不到 10 亿年，多亏了其中一种便利的引力透镜才得以观测。然而，在天文学家确信他们真的找到了第一代恒星之前，还有许多工作要做；“目前还没有找到确凿的证据证明 Earendel 是第三星族恒星，”Hegde 说。不过，詹姆斯韦伯太空望远镜肯定会继续搜寻，也许我们最终会在未来几年清楚地看到恒星祖先，就像它们照亮早期宇宙一样，照亮我们对再电离的理解。