中国科学家领衔国际团队发现第一代超大质量恒星化学遗迹

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宇宙中第一代恒星质量有多大？理论预言其演化形成的特殊超新星存在吗？中国科学院(中科院)国家天文台赵刚研究员领导的国际团队合作完成一项研究揭晓答案称，他们率先在银晕恒星中发现第一代超大质量恒星演化后坍缩形成的“对不稳定超新星”(PISN)存在的化学证据。

此前，天文学理论研究曾预言这种特殊超新星的存在，但从未被观测发现。基于中国大科学装置郭守敬望远镜(大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜，英文缩写LAMOST)巡天观测数据，中国天文学家领衔完成的最新研究证实，该特殊超新星源自于一颗质量高达260倍太阳质量的第一代恒星，刷新了人们对第一代恒星质量分布的认知。

这一重要天文学发现及研究成果论文，由中科院国家天文台联合中科院云南天文台、日本国立天文台和澳大利亚莫纳什大学等合作完成，6月7日在国际著名学术期刊《自然》在线发表。论文通讯作者赵刚研究员领导的团队长期从事天体丰度的研究工作，建立大规模贫金属星的高分辨率光谱观测样本，完成对其化学丰度的系统性定量分析，为最新研究发现奠定坚实基础。

赵刚表示，此项研究从观测上证实第一代恒星的质量可达到太阳质量的数百倍，揭示PISN在宇宙早期化学增丰过程中的贡献，对研究第一代恒星的初始质量函数意义重大，并将对元素起源、宇宙早期的恒星形成和星系化学演化等方面的研究产生深远影响。

化学丰度特殊恒星LAMOST J1010+2358与超新星模型的比较。　中科院国家天文台 供图

他介绍说，第一代恒星给宇宙带来第一缕曙光，是终结黑暗时代的起始点，主导着早期宇宙化学增丰过程和演化历史。理论预言第一代恒星的寿命极短，只存在于高红移的宇宙之中，因此直接观测到第一代恒星的难度极大。长期以来，银河系“考古”领域一直致力于通过贫金属星来研究第一代恒星，部分极贫金属星(金属含量低于太阳的百分之一)可能诞生于第一代恒星终结时形成的气体云，其化学丰度完整保留了第一代恒星演化产物的特征，从而使天文学家能够利用这些“活化石”揭示第一代恒星的演化历史。

理论研究表明，第一代恒星的质量可以达到太阳质量的数百倍，但一直未能从观测上发现相关证据。通常发现的极贫金属星保留了核坍缩超新星(CCSN)的核合成产物，但这些超新星的前身星普遍小于100倍太阳质量。对于质量介于140-260倍太阳质量的第一代恒星而言，其核心处产生的正负电子对会减弱恒星内部辐射压力，并导致恒星坍缩形成一种特殊的超新星即PISN。与核坍缩超新星相比，PISN产物具有极为特殊的化学组成，在其演化后形成的气体云中诞生的第二代恒星，会展现出极其罕见的化学丰度模式。

论文第一作者、中科院国家天文台邢千帆博士表示，本次研究中，国际合作团队结合郭守敬望远镜低分辨率光谱和日本昴星团望远镜高分辨率光谱数据，发现一颗编号为LAMOST J1010+2358的化学丰度极为特殊的恒星，它具有目前已知最低的钠含量，其化学丰度还显示出强烈的“奇偶效应”，即原子序数为奇数的元素含量远低于相邻的原子序数为偶数的元素含量。此外，LAMOST J1010+2358恒星基本不含锶、钡等中子俘获元素，几乎未受到中子俘获过程的影响。这些化学丰度特征无法通过核坍缩超新星理论模型解释，却与260倍太阳质量的PISN理论计算结果高度吻合。

邢千帆认为，这一研究发现首次从观测上证实PISN的存在，并为第一代超大质量恒星(超过100倍太阳质量)形成和演化的观测研究指明方向。同时，PISN的前身星质量大、寿命短(小于300万年)，在其爆发后诞生的恒星极可能是迄今发现的最为古老的第二代恒星。

哈佛大学前天文系主任阿维·勒布(Avi Loeb)称，发现PISN的证据是贫金属星研究领域的“圣杯”之一。《自然》期刊审稿人评价说，该成果第一次为PISN与银晕恒星化学丰度之间的联系提供决定性证据。

中科院国家天文台赵刚研究团队表示，期待能够利用郭守敬望远镜、中国空间站工程巡天望远镜发现更多化学丰度特殊的恒星，使天文学家可以通过对第一代恒星遗迹的分析，进一步确定恒星初始质量函数，加深对银河系演化历史的理解。(完)