迄今发现的最远恒星也许开启了研究早期宇宙的新窗口

• 2022-04-13 09:23:09 来源：科技日报

至今为止，人类还没发现过第一代恒星，因为它们数量稀少，而且在宇宙演化早期，中性氢会吸收天体的光，导致恒星暗淡。如果第一代恒星被探测到，将为揭示星系化学和动力学演化提供重要线索。

——郑宪忠 中国科学院紫金山天文台研究员

近日，美国国家航空航天局(NASA)宣布哈勃空间望远镜(以下简称哈勃)利用引力透镜效应，发现了人类迄今观测到的最遥远的单颗恒星。

这颗恒星诞生于宇宙大爆炸后的10亿年内。研究人员估计，这颗恒星的质量至少是太阳的50倍，亮度是太阳的数百万倍。由于距离地球非常遥远，它发出的光线用了129亿年才到达地球。相关研究结果发表在《自然》杂志上。

这颗恒星被命名为埃伦德尔(Earendel)，在古英语单词中意为晨星或旭日之光。那么，这缕“晨光”将为人类揭示宇宙演化带来哪些新的线索?

在NASA看来，哈勃的这一新发现有望开启早期恒星形成相关研究的新篇章。

美国约翰斯·霍普金斯大学研究人员、论文第一作者布赖恩·韦尔奇表示，埃伦德尔存在于很久以前，形成它的“原材料”可能不同于以往已知的恒星，这一发现有助于科学家对宇宙非常早期、恒星形成的未知时代展开研究。

利用宇宙“放大镜”发现129亿年前的星光

此次哈勃发现埃伦德尔，更像是一次偶然的邂逅。“以哈勃的观测能力，原本无法看清那么遥远的星光。但这次哈勃能看到埃伦德尔，是因为在地球和埃伦德尔之间，有一块特殊的‘放大镜’。”中国科学院紫金山天文台研究员郑宪忠告诉科技日报记者，这块“放大镜”其实是一个巨大的星系团——WHL0137-08，正是由于WHL0137-08的引力透镜效应，埃伦德尔的光才能被敏锐的哈勃捕捉到。

引力透镜效应是爱因斯坦广义相对论中预言的一种现象，指时空在大质量天体附近会发生畸变，从而使得光线在经过大质量天体附近时发生偏折。

“当光线经过星系团时，因强大的引力而产生的空间扭曲会使光线偏折，星系团就像放大镜一样汇聚和放大了背景天体的图像，间接形成了一种‘放大镜机制’。”郑宪忠说，星系团WHL0137-08距离地球56亿光年，埃伦德尔所在星系的光在抵达星系团WHL0137-08时，被星系团扭曲成一个长长的新月形，星光被放大了数千倍。

“这类似于在阳光明媚的日子里，游泳池表面的波纹在底部形成明亮的光斑——水面的涟漪充当了透镜，将阳光聚焦到游泳池底，使池底亮斑达到最大亮度。”郑宪忠解释道。

而空间望远镜是通过长时间的曝光来收集宇宙中的光子，从而探测出未知天体的。在WHL0137-08的“助攻”下，这一次，哈勃捕捉到了来自埃伦德尔的光子。

这也是哈勃再一次刷新自己创下的纪录。在埃伦德尔之前，哈勃曾经在2018年发现了一颗遥远的恒星——伊卡洛斯(Icarus)。在详细甄别测算后，科学家最终确认这颗遥远恒星位于地球94亿光年外。

埃伦德尔“身世”仍是未解之谜

埃伦德尔的发现，让科学家颇感意外。布莱恩·韦尔奇说：“一开始我们几乎不相信它的存在，它比此前人类观测到的最遥远的恒星还要远得多。”

韦尔奇认为，埃伦德尔的出现，为人类打开了一扇研究早期宇宙的新窗口。

恒星是由大量氢和氦组成的等离子体，它们的内部不断发生核聚变反应，不断向外发出能量，产生辐射压来对抗自身引力坍缩。

为何科学家能判定哈勃接收到的光来自恒星而非星系或其他天体呢?

“与星系相比，恒星的尺寸要小很多，而且发出的光也要暗淡很多。从目前的数据看，埃伦德尔比目前已知最小的星团更小;另外，恒星的温度一般从800开尔文到几万开尔文不等，埃伦德尔的温度相当于4万开尔文左右，在恒星的温度区间;最后，在哈勃3年多的观测中，埃伦德尔的亮度基本保持不变。所以不可能是无光、无温度的黑洞，也不可能是超新星爆发等。”郑宪忠说。

埃伦德尔诞生于宇宙大爆炸后约9亿年，即诞生于宇宙的“婴儿时期”。

关于埃伦德尔的详细“身世”，至今仍有许多未解之谜，例如它具体的质量、亮度、温度和类型等，以及它是单星还是双星，“大多数像埃伦德尔这种质量的恒星通常都有一个更小、更暗的伴星。”郑宪忠说。

为捕捉第一代恒星的踪迹提供希望

虽然“身世”不详，但埃伦德尔仍然引起了天文学家的极大兴趣，“我们可以独立地研究它的电磁辐射。”韦尔奇说，“这让我们可以直接与银河系中的恒星进行比较，从而加深我们对早期宇宙中恒星的理解。”

更重要的是，埃伦德尔让科学家看到了捕捉第一代恒星踪迹的希望。

“现有的理论模型认为，宇宙大爆炸后，炽热的辐射渐渐平息下来，宇宙温度慢慢下降，经历一个黑暗时期，中性氢开始在一些宇宙物质密度较高的地方聚集，当其质量、压力增大到一定程度时，发生核聚变，形成了第一代恒星。”郑宪忠解释，第一代恒星诞生于距今约137亿年前，基本由氢和氦元素组成，还有极少数的锂等，金属丰度接近零。它们的诞生意味着宇宙再电离时期的开始。而埃伦德尔诞生于宇宙再电离结束时期，它是否携带着第一代恒星的“出生证明”，值得探寻。

“至今为止，人类还没发现过第一代恒星，因为它们数量稀少，而且在宇宙演化早期，中性氢会吸收天体的光，导致恒星暗淡。目前来看，发现第一代恒星有两种途径，一是把人类探测的目光投向更深邃、遥远的宇宙，特别是要关注大质量天体，质量大的恒星亮度也会大，看到的几率就高;二是在银河系里探测质量小、金属丰度极低的天体，因为质量越小的天体，寿命越长。”郑宪忠认为，如果第一代恒星被探测到，将为揭示星系化学和动力学演化提供重要线索。

这让埃伦德尔被寄予厚望。有观点认为，如果后续研究证明埃伦德尔只是由原始的氢和氦组成，这将是传说中第一代恒星存在的第一个证据。

如何破解埃伦德尔有可能隐藏的宇宙之谜?天文学家打算利用詹姆斯·韦布空间望远镜对埃伦德尔进行观测。

在郑宪忠看来，距离我们最遥远的恒星，或者说第一代恒星，形成的条件很苛刻，找到它们并了解它们最初的演化过程，如气体是如何冷却形成的恒星，最初的恒星到底有多大，它们的质量、寿命是多少，恒星是否直接由气体引力坍缩形成等，对于验证现有恒星理论具有重大意义。

“了解天体是如何诞生的，对于探寻生命的起源、理解文明的意义或许也会提供一些借鉴。”郑宪忠说。

标签： 早期宇宙

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