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宇宙中的第一顆恆星是什麼時候出現的?

7月
14
2018

2018年7月14日05時 今日科學 簡行至上

簡行至上

藝術家對已經形成數萬億恆星的早期宇宙的想像圖。
圖片來源:NASA/ESA/ESO/Wolfram Freudling等

當我們今天看向宇宙時,其中估計有兩萬億個星系,平均每個星系包含約數千億個恆星,這意味著我們可以在可觀測宇宙中觀測到大約10^24顆恆星。當我們看向越來越遠的距離時,我們也在回顧時間,而且由於宇宙大爆炸發生在一個有限的時間之前(大約138億年),我們能看到的距離有一個極限,且仍然能看到星星。那麼一定有一段時間之前宇宙里沒有恆星,在那之後第一顆恆星出現在了宇宙。那是什麼時候呢?

我們現在比以往任何時候都更了解答案。

哈勃望遠鏡觀測到的人類已知最早、離地球最遠的一個星系,GN-z11。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將會幫助我們看得更遠。
圖片來源:NASA, ESA, and A. Field

在人類偉大的天文台,如哈勃太空望遠鏡,以及赫歇爾和斯皮策等紅外太空望遠鏡的幫助下,我們已經看到了比任何時候能看到的更遠的宇宙。我們已經發現了12億至130億年前的一系列星系和類星體,其中有一小部分星系甚至比這更早。目前的紀錄保持者是GN-z11,這個星系從宇宙只有4億年的時候就有了光,這是當前宇宙年齡的3%左右。而且我們之所以看到這個星系也完全是靠運氣,我們現在這一代的望遠鏡不可能找到比這更遠的恆星或星系。

藝術家對於可觀測宇宙對數尺度的概念圖。
圖片來源:wiki

這並不是因為超出這個範圍的恆星或星系是不存在的,而是宇宙當時的性質意味著我們看不到那些存在的宇宙。一旦第一個38萬年過去了,宇宙已經冷卻到可以穩定地形成中性原子,而不會被宇宙大爆炸中的剩餘輻射直接電離,在這個時候就沒有恆星。然後還需要幾千萬年(或者甚至超過一億年)的時間,引力才能使這些微不足道的地區第一次吸引足夠的物質來點燃核聚變。然而,當進入這種狀態的時候,有兩件事情對他們不利:

1、 宇宙正在膨脹,這意味著即使是最熱的恆星所產生的紫外線光線也會被紅移:從紫外線到可見光一直到紅外線,遠遠超過哈勃能看到的範圍。

2、 現在充滿中性原子的宇宙阻擋了來自這些恆星的光線,就像我們星系中的中性物質遮蔽了我們眼中的銀河系中心一樣。

銀河系和周圍天空的星密度圖,該圖清晰地顯示了銀河系,大小麥哲倫雲等。然而,在可見光的情況下,銀河系中心因銀河系平面中性物質對光的吸收而變得模糊不清。圖片來源: ESA/GAIA

而且,產生的第一個恆星和星系與我們現在的也有很大的不同。現在,宇宙中存在的恆星是由大約70%的氫氣,28%的氦氣和1-2%的「其他物質」所組成的,天文學家們「懶散」地稱之為「金屬」。如果你看看曾經所有存活過的恆星,它們把氫和氦融合成較重的元素,這就是它們總和的效應:豐富了大爆炸後的宇宙,把宇宙由75%的氫,25

%氦和0%金屬變成我們今天看到的這樣。這意味著形成的第一顆恆星應該是純凈的,換句話說就是完全由氫和氦構成,沒有金屬污染它們。我們最好的候選者是CR7星系中的一群恆星,它的光線飛行了130億年多的時間才能到達我們的眼睛。

CR7的示意圖,它是第一個被認為是第三星族星(population III )的星系:在宇宙中形成的第一顆恆星。
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將揭示這個星系的實際圖像。
圖片來源:ESO/M. Kornmesser

從理論上講,我們可以使用我們所知道的關於結構形成的知識來模擬第一顆恆星應該形成的時間。
因為我們知道以下內容:

38萬年前的宇宙中某些地區的密度是多少,

物質和輻射服從的是什麼物理定律(如重力和電磁),

當時有多少宇宙是由物質,輻射,暗物質和中微子組成的,

在膨脹的宇宙中,冷卻、收縮和坍塌是如何工作的?

我們可以模擬宇宙中的條件來判斷何時會首先出現核聚變點火,並因此產生第一顆恆星。

在我們目前的天文台中,我們看不到這些恆星,因為它們周圍的中性物質阻擋了太多的發射光。在宇宙被重新電離之前,這意味著有足夠的熱紫外線發射恆星將這些中性原子轉變成電離等離子體,然後紫外線和可見光就不能通過。一般來說,宇宙在500-550億年之前不會被重新電離,也就只有通過運氣,我們才能觀測到恰好位於早期發生重新電離的空間區域的GN-z11古代銀河。

一般來說,你需要做的是看光的餘輝照片里的紅外線部分,因為中性原子在阻斷這種情況時效率較低。

這四張圖以四種不同波長的光線顯示了銀河系的中心區域,其中較長的(亞毫米)波長位於頂部,穿過遠近紅外線(第二和第三),並以可見光視圖結束。可以注意到的是塵埃帶和前景恆星在可見光下遮擋了銀河系中心。圖片來源:ESO/ATLASGAL consortium/NASA/GLIMPSE

consortium/VVV Survey/ESA/Planck/D. Minniti/S. Guisard Acknowledgement: Ignacio Toledo, Martin Kornmesser

我們可以通過觀察我們自己的星系來看到這一點,它可能對可見光和紫外光是不透明的,但是在更長的波長處是透明的。這就是為什麼詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將會取得如此巨大的進步的原因。是的,它會比哈勃還要大。是的,它會有更先進的儀器。但是它最大的進步是,它被設計成可以看到更長的波長,一直到中紅外,大約是哈勃望遠鏡可以看到的最長波長的20倍。從理論上說,它應該能夠看到來自早到1.5億至2.5億年之間的星系和星團的光線。

詹姆斯·韋伯(James Webb)擁有七倍於哈勃望遠鏡的聚光能力,能夠看到比遠紅外線部分更遠的光譜,能夠觀測的星系甚至比哈勃望遠鏡能觀測的還早。圖片來源:NASA / JWST

我們有大量的理論信息可以給出對宇宙時間線的回答:

到5.5億年前,宇宙100%被重新電離,

在4億年前,我們目前的(哈勃)最遙遠的星系的記錄,

到約2億年前,我們應該形成第一個物質星系,

正好在詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將能夠看到的範圍內,

當宇宙達到5000萬到1億年時,第一顆恆星應該形成。

但是還有更多的科學要做。
即使是詹姆斯·韋伯(James Webb),我們也不可能一路走到第一個恆星上,但是我們很可能會更好地解決他們到底在哪裡和什麼時候產生的。至於第一批原始恆星? 第一顆恆星證實除了氫和氦之外沒有別的東西? 如果大自然對我們友善,詹姆斯·韋伯不僅會給我們帶來第一個,而且會給我們帶來很多例子。

宇宙在那裡等著我們去發現它。
如果我們想知道答案,我們只需要做的就是看。
只有當我們建立了更好的觀測站並獲得更好的數據時,我們對所有這些數據的理解才會改善。


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