说说星族III
关于星族III的研究可以算是近年来天体物理学的一个热点。这类恒星被认为是大爆炸后宇宙中的第一代恒星，为黑暗的宇宙带来了第一缕光芒，也为大爆炸过后复合完毕的中性氢提供了再电离的主力光子源。由于诞生时间早，它们据信还具备有别于后代恒星的独有特点。
星族III的模拟图象。（图片提供：WMAP, GSFC, NASA）
正式介绍星族III之前先简单说一说星族的概念。传统上的星族分为I、II两类，各自在星系中有着类似的化学组分、年龄特性以及空间分布。总的来说，星族I年轻且金属（所有原子序数大于氢和氦的元素）丰度高，颜色偏蓝，主要集中在星系盘内；星族II年老且金属丰度低，颜色偏红，集中于星系晕中。这一概念最早是1944年Walter Baade针对仙女星系提出的，后来被推广到所有星系上。银河系内的恒星又可以此为基础，细分为极端星族I、中介星族I、盘星族、中介星族II、极端星族II五类，年龄依次增加，其中太阳属于盘族。换句话说，实际的星族分类并不是非此即彼，而是存在一系列过渡类型。
就银河系来看，从极端星族I到极端星族II，对应恒星的年龄是几百万年到上百亿年不等。年轻的星族I金属元素含量高于年老星族II的原因是，除了氢和氦以及微量的锂等轻元素，其他所有重元素都不能在宇宙大爆炸的过程中合成，而必须借助恒星内部的核反应或者超新星爆发。先行灭亡的古老恒星将生成的重元素抛洒到了星际空间中，使造就新一代恒星的原料重元素含量增加，进而新生恒星的金属丰度也逐次提升。
星族II还只是贫金属，金属元素含量只是较低；而这最为古老的星族III却普遍被认为是近似零金属丰度，成员星的原材料是直接产生于大爆炸产的氢与氦外加痕量的锂之类。当然，所谓零金属丰度，只是诞生时为零而已，到了晚期，恒星核心照样会有很多金属元素存在，不过由于这些重元素深埋于星核之中，基本无法观测倒是不假。
更大的争议与星族III成员的质量有关，主要分大小两派。一度比较流行的说法是认为，由于缺乏重元素，这类恒星质量普遍偏大，有人认为其典型质量可以达到太阳的2、3百倍甚至更高。作为比较，如今在银河后院中发现的最重恒星质量也不过是太阳的百十倍，而它们与恒星全体相比更是极少数而已。这一观点有早先的计算机模拟作为支持。不过贫金属的星族II成分与超大质量恒星爆发残余不符合，由此给出的星族III质量偏小，大致在几十到100多倍太阳质量之间；而较新的数值模拟工作也支持星族III质量偏低之说。但是虽说偏低，也只是针对早先的估计而言的；与年轻一代的恒星相比，第一代恒星的质量还是要大上很多的。
重元素与恒星的质量有什么关系？众所周知，恒星的能量来自核心区域的氢元素聚变。在大质量恒星中，聚变的主导过程是碳氮氧（CNO）循环。如果原恒星质量过大，在引燃核聚变时，星体会因迅猛的产能发生爆炸。不过对于零金属丰度的星族III来说，压根不存在重元素，CNO循环无从谈起，因此聚变只能按部就班沿着质子—质子链进行。这条渠道没有CNO循环那样猛烈，因此也就容许质量更大的恒星存在了。
包裹在30倍太阳质量恒星周围的零金属丰度包层模拟图。（图片提供：Ralf Kaehler/ZIB and Tom Abel/PSU）
另外缺乏重元素的又一结果是，产生星族III的气体云中没有尘埃的存在。在今天的恒星形成区里，重元素尘埃可以有效地为分子云制冷，让云团保持几开尔文的温度；而原初宇宙中的云团由于没有这种制冷渠道，只能以分子氢作为主要冷却剂，分子云的温度要高得多，可以达到几百开尔文，因此其对应的自引力坍缩质量下限——金斯质量也就更大，更容易造就大质量恒星。至于分子氢，可以通过多种不同的渠道产生，包括如下所示的电荷交换反应，还有高密度条件下的3原子反应等等。
电荷交换反应：
3原子反应：
至于星族III的形成时间，目前基本也是靠理论和数值模拟来分析，大致是在大爆炸之后的几百万年到几亿年之间。形成恒星的先决条件是大块分子云的产生。根据对微波背景辐射的观测，大爆炸3、4十万年之后的宇宙还是相当平滑的，不过还是展现出了微小的密度起伏。根据现有理论以及模拟结果，随着时间的推移，在自引力的作用下，这种微小的密度起伏会转化为大尺度纤维状的物质分布。这种纤维结构的主体是暗物质，普通物质在暗物质的引力作用下也会凝聚成网，最致密的网络结点最终发生坍缩。虽然坍缩过程早期，随着密度的增加气体温度会升到允许范围以外高，但密度的增加同样会导致具有冷却作用的分子氢合成，最终温度会被冷却到合适的数值上。
早先人们一直认为，由于零金属丰度的气体云团较难分裂，第一代恒星以单星居多。不过最近也有数值模拟显示其中的双星系统不在少数，而且每颗恒星质量偏小一些，这一结果与宇宙金属丰度吻合得更好。
除了合成重元素进而为新一代恒星、行星乃至生命的出现铺平了道路，星族III对宇宙演化最重要的贡献莫过于使宇宙再电离。在大爆炸30余万年（红移1100左右）后，产生于大爆炸的等离子体逐渐与电子结合，形成中性气体，今天接收到的微波背景正是复合时代的残留，之后就是长达几亿年的黑暗时代，至今人们对其知之甚少。然后第一批恒星以及活动星系核的光芒照彻宇宙，再度将电子从中性原则周围剥离开来。自此之后，宇宙中的气体就没有再发生过整体相变。据现在的研究，这一过程大约开始于红移为15的地方，以星族III为主力，在红移为8的时候大部分完成，剩余的10%左右在随后由星族II的恒星接手。
由于理论上星族III的成员质量普遍较高，其寿命相对很短。换句话说，其中的大部头在大爆炸过后130多亿年的今天应该早已演化殆尽了，虽然其中可能有部分小质量成员星，但后者又因为亮度太低难以被发现，因此对它们的搜索是相当艰巨的任务。在银河系的后院中很难看到它们的身影，在宇宙的远方的单颗恒星又难以被解析出来，故而到现在为止，人们只是找到了一些与这类恒星间接相关的线索而已。
其中的一道线索来自ARCADE进行的GHz低频气球观测。数据表明，在此波段上存在背景噪声。ARCADE本来的目的是搜索星族III恒星发出的热量，不过这种噪声却可以用大质量恒星死亡时抛出的带电粒子辐射来解释。另一道线索是对被引力透镜增亮的星系的分析，还有对宇宙早期特大质量黑洞的研究。当然，直接的探测还有待将来更为强大的望远镜投入使用。
ARCADE探测到的射电背景辐射。（图片提供：ARCADE, NASA ）
参考资料：
[1] Populations & Components of the Milky Way
[2] NASA Balloon Mission Tunes in to a Cosmic Radio Mystery
