走出黑暗时代：第一代恒星
Volker Bromm
译自Sky & Telescope, Vol. 111, No. 5 (2006)
最早的恒星是为未来恒星世代连同行星和生命的诞生铺平道路的动力站。
大爆炸后数亿年间，宇宙中的景观必然是绝对令人吃惊而且陌生的：完全的黑暗。这就是迄今仍是谜团的宇宙学黑暗时代，此时行星、恒星或星系都还没有形成。慢慢地，引力将无情地把原初物质团快拉到一起，为第一代恒星的形成提供条件。现在我们认为，这些动力站有着极端的质量和广度，并将平静的婴儿期宇宙转变成了沸腾的活动大锅。
宇宙的这一关键转变能够发生的原因是因为，第一代恒星产生了大量的紫外辐射，将宇宙中的氢元素电离。而当这些恒星在存在了区区2、3百万年后死亡时，它们可能触发了宇宙中曾经存在过的最大规模的爆发：能量100倍于今天超新星爆发的极超新星（hypernova）。
星族III的恒星，也就是第一代恒星，有着特殊的吸引力。一旦你开始研究它们，你就没有办法停下了。象我这样的理论家努力去确定它们的性质以及与当今恒星的差异。观测者为穷追捕获这些恒星，将他们的仪器推向了极限。
观测星族III的竞争日益升温。2005年9月，NASA的雨燕卫星探测到了一次遥远的伽玛射线暴，这是128亿光年外一颗大质量恒星死亡的标志。去年，使用NASA的斯皮策空间望远镜的科学家宣布，他们发现了宇宙背景辐射在红外波段有显著的波动，这可能是部分由于星族III的恒星导致的。关于这些发现是否表明了第一代恒星的存在，宇宙学家正进行着激烈争论。
制造星族III
星族III的恒星诞生的环境与现今银河系中的恒星形成区相比有着很大的不同。理论家预言，这些早期的恒星诞生在质量100000倍于太阳的球状气体云团中，气体云被暗物质的引力所束缚。这些微晕（minihalo）内只存在着最简单的化学元素，也就是在大爆炸中形成的氢（H）和氦（He）原子，另外只有痕量的氢分子（H2）。尽管H2与H原子的比例只有1比1000，但H2的存在却有着重要的地位。
在黑暗时代的低温下，H2是仅有的冷却剂（只有在更高的温度下，H才能作为冷却剂）。它使得微晕可以由热辐射降温，减少了气体向外的压力。但与今天的产星气体云相比，剩余的向外压力还是过大了。为克服压力，引力（进而是云团的质量）必须要更大。原初的云团因而坍缩并分裂成致密团块，团块的质量数百倍于太阳。如今的团块一般只有几个太阳质量。
近10年的早些时候，两个独立的小组利用复杂的计算机模拟确定出，这些致密团块孕育了极大质量的恒星，其质量范围在30至500倍太阳质量之间。其中一个小组由Paolo Coppi、Richard Larson和我本人组成，当时我们在哈佛和耶鲁工作。另一个小组成员有Tom Abel、Greg Bryan和Michael Norman，当时在伊利诺伊大学和德国的马克斯·普朗克天体物理所工作。我们参与了一场紧迫的科学竞赛。事后我们知道，公平地说两个小组分别进行了模拟，并在主要结果上取得了一致：最初的恒星一般质量非常大。我们中的所有人都因这个发现而激动得兴奋不已。
这张计算机模拟图象展示了哪怕是在第一代恒星诞生之前，引力是如何将物质的分布塑造为丝状结构的。包含有100万倍太阳质量的暗物质和气体的微晕呈红色，这些气体日后将产生第一代恒星。微晕有500光年大小。（图片提供：Volker Bromm/Naoki Yoshida/Lars Hernquist）
大爆炸后的1.5至2亿年，当第一代恒星诞生后，它们合成了重元素，并在生命结束是时候将这些存货抛入宇宙空间。除却罕见的恒星并合之外，这些重元素阻碍了日后的大质量恒星形成。今天，当一颗大质量恒星形成之后，它倾流而出的强辐射流阻碍了落向它的物质，这些物质富含重元素和尘埃，更容易被辐射压吹开。结果就是，这一过程切断了将来的吸积，将恒星质量的上限限制在120倍太阳质量。但星族III的恒星形成在缺乏尘埃和重元素的云团中，所以在最极端的例子中，在天体贪婪地吸积了500倍太阳质量的物质之前，辐射压不会阻止吸积过程的。
在我们作出了这个发现之后，我们马上提出了2个后继问题：这一族质量极大的恒星是如何影响了日后的宇宙历史的？我们又该如何去观测星族III以检验我们的理论呢？
转变
通过分析斯隆数字巡天中获取的类星体光谱，天文学家了解到，在最初的10亿年间，宇宙经历了一次关键的相变。星系际气体云从中性状态演化为电离态。在中性气体中，电子被束缚在原子核周围；在等离子气体中，电子脱离了原子核束缚，因而可以自由运动。由于尚不存在热源和电离性光子源，黑暗时代是寒冷的、中性的。另一方面，我们现在的宇宙大部分由电离气体组成。
2003年，当天文学家利用NASA的Wilkinson各向异性探测器（WMAP）获知，在第一代恒星的时期，至少一部分电离化已完成时，人们感到十分惊讶。WMAP探测了宇宙微波背景辐射的光子，发出该辐射的时间是黑暗时代开始之前，大爆炸后约400000年，此时宇宙的温度已经低到刚刚允许电子与质子结合成原子。在被WMAP的微波探测器接收之前，CMB的光子已很大程度上不受阻碍地行进了137亿年。当与自由电子碰撞时，CMB的光子被些微偏振化了，这意味着早期宇宙中存在着大量自由电子，大概是因星族III的恒星紫外辐射而脱离了氢原子。
最初的超新星
当星族III的恒星作为极超新星（极超新星是个一般性的术语，用于描述远比超新星能量大得多的恒星爆发）爆发时，它们完全改变了宇宙。这些极端猛烈的爆发将重元素分散，阻止了其他星族III成员的形成。但它们引发了化学元素富集的关键过程，最终使得行星和生命的诞生成为可能。
当气体云中重元素含量超过太阳系中重元素含量的1/10000后，低质量恒星的形成开始了。组成地球的重元素可能要由数百颗独立的超新星来产生。但由于巨大的能量，区区一颗星族III极超新星驱散的重元素就可以使超过1000万倍太阳质量的气体云达到临界水平。
1960年代，弗莱德·霍伊尔、威廉·福勒以及其他人认识到，质量140至260倍于太阳的恒星将完全以极超新星的形式炸成碎块，而不留下坍缩而成的星骸。相比之下，通常的核心坍塌超新星将它很大一部分重元素储备存在了黑洞或中子星中。但最初的极超新星将它们所有的重元素都分散到周围的气体中。这一过程迅速使宇宙转变为以低质量恒星为主宰。
由于引起爆发的机制，这类极超新星也被称为生对不稳定超新星（pair-instability supernova）。最初形成于核心区聚变的光子产生了向外的压力，支撑着大质量恒星不致因为引力而坍缩。在一颗质量极大的恒星的演化阶段晚期，当它开始利用核心的氧进行聚变时，光子的能量完全高到可以转化（根据爱因斯坦的方程E = mc2）成物质和反物质粒子对（电子和反电子）。由于温度很高的恒星所能提供的平衡引力的压力较小，恒星发生内爆，导致了快速的压缩和相应的温度跳变，后者引发了热核爆炸。所有剩余的核燃料一下子被引燃了，产生了摧毁恒星的爆发。
寻找第一代恒星
象我这样的理论家因我们对于星族III恒星的认识处于正轨而感到满足，但观测者为检验它们，已研究出了两种主要方法。一些天文学家试图直接去在最早期的宇宙中观测第一代恒星及其爆发。另一些则是在我们的宇宙后院中寻找星族III的“化石”。
不幸的是，天文学家还没有建造出大得足以探测到星族III恒星（它们发出的光线很弱，并由于宇宙膨胀而被高度红移）的望远镜。甚至哈勃的继任者詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）也没有大到足以分辨单个星族III恒星的反射镜。但一项新近的研究宣称已直接探测到了来自多颗星族III恒星的整体辐射。
科学系统和应用有限公司（Science Systems and Applications, Inc.）的Alexander Kashlinsky及3名合作者使用NASA的斯皮策空间望远镜研究了宇宙近红外背景辐射，这是一种弥漫整个天空的辉光。他们发现背景起伏与与先前预期来自已知遥远星系的起伏相比要强得多。Kashlinsky的小组将这种起伏解释为星族III恒星的间接证据。但他们的例子并非无懈可击的。然而，第一代恒星与红外背景的关系之间蕴涵着可观的希望，理论家与观测者都在热切地工作，以图在斯皮策的深空图象中搜寻出星族III的成分。
哪怕我们不能在星族III恒星存在时单独观测到它们，结束其生命的极超新星是可以亮到让JWST很容易地观测到的。凭借其计划中的6.5米反射镜，JWST在一年的巡天中将可以在每平方度的天区内找到数百颗星族III的极超新星。
另一种研究第一代恒星死亡的方法正由NASA的雨燕卫星使用，该卫星用于伽玛射线暴研究。大多数伽玛暴是在高速自转的大质量恒星坍缩并爆发成Ib或Ic型超新星时产生的。哈佛-史密松天体物理中心的Abraham Loeb和我最近计算出，在雨燕即将探测到的伽玛暴中，至少有10%发生在宇宙最初十亿年中。目前为止，雨燕观测到的约20个有确定距离的伽玛暴中，有2个是发生在宇宙诞生后十亿年中的，这证实了我们的预言。但最终雨燕将捕获到源自星族III恒星的最遥远的伽玛暴，这将使没可以检验多种有关星族III爆发的理论模型。
恒星考古学
星族III的另一种探针可以被称为“恒星考古学”。基本思想是去仔细考察我们银河系最古老的恒星的化学元素丰度，以研究它们是否含有星族III极超新星的特征。在过去的几年间，汉堡/欧洲南方天文台巡天发现了两颗铁元素丰度（即与氢的比例）只及太阳1/100000的晕族恒星。但这两颗星，也就是HE 0107-5240和HE 1327-2326的碳和氧元素丰度是太阳的1/10。先前从未发现过如此奇特的化学组分。
这些谱线是太阳（上）、南天凤凰座的HE 0107-5240（中）和预计的星族III（下）光谱的比较。光谱显示，HE 0107-5240（在上图中以箭头指出）中碳、铁、镁元素的含量极少。但它至少包含少量这些元素的事实说明，它并非真正的星族III（第一代）恒星。（图片提供：欧洲南方天文台）
东京大学的Ken’ichi Nomoto和Hideyuki Umeda提出，30至40倍质量于太阳的原初恒星以能量较低且最终形成黑洞的超新星结束生命，这一过程导致了奇怪的元素丰度。如此质量的恒星没有大到可以形成粒子对不稳定超新星的程度，但它们要比当今宇宙中形成标准核心坍缩超新星的恒星大。当激波费力穿过包层的时候，爆发停止了。只有最外层的包层能逃逸出来。但这样的包层富含碳和氧，所有直到铁的重核都被黑洞吞掉了。这就可以解释HE 0107-5240和HE 1327-2326的元素丰度问题了。
不过我和我的合作者提出，汉堡/欧洲南方天文台巡天发现的恒星属于第三代而非第二代恒星。因此它们的元素分布就有了第二代恒星的特点，而非只有第一代恒星的。另外，由于目前为止我们只有两个样本，很难说这两颗恒星到底是典型情况还是特例。恒星考古学已开始向人们提供对星族III恒星的进一步认识，但在不久的将来，借助更大规模的低重元素丰度恒星巡天，这一伟大的承诺才能被全面认识到。
迈入未来
重建自大爆炸至今的宇宙历史是人类头脑中进行过的最伟大的探索之一。一旦我们阐明究竟黑暗时代的末期发生了什么（这可以在JWST和未来其他望远镜的帮助下完成），我们就可以填补我们对宇宙历史的了解中的遗留空白。之后我们就可以描绘出宇宙的整个时间线，从某种意义上说，我们长久以来的探索也该画上句号了。
那将会是宇宙学的终结吗？根本不是。如果说过去的经历能提供我们以什么样的指导，那就是每个答案都带来了新的问题。科学是终极的永动机，永远驱动我们走向新疆域。我们只能去推测，在今后20年中，我们将去追求何种激动人心的新问题。做好准备吧！
Volker Bromm是德克萨斯大学Austin分校的天体物理学家。
