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科學家發現在“超級超新星”爆炸中死亡的第一代恒星的證據

天文學家可能已經發現了第一批照亮宇宙的恒星的古老化學遺跡。研究人員通過對美國國家科學基金會NOIR實驗室操作的夏威夷8.1米雙子座北方望遠鏡觀測到的一個遙遠的類星體進行創新分析發現了一種不尋常的元素比例,在他們看來,這些元素只可能來自一顆300太陽質量的第一代恒星的全面爆炸產生的碎片。

最早的恒星很可能是在宇宙還不到1億年的時候形成,或者說還不到現在年齡的百分之一。這些早期的恒星被稱為第三群,是如此巨大,以至于當它們作為超新星死亡時將自己撕碎并在星際空間中散布一種獨特的重元素混合物。然而,盡管天文學家們經過多年的仔細調查,直到現在還沒有任何關于這些古老恒星的確鑿證據。

天文學家們現在相信,在使用雙子座北方望遠鏡研究了最遙遠的已知類星體之一之后,他們已經發現了第一代恒星的爆炸殘留物。他們通過使用一種創新的方法來確定類星體周圍的云層中所包含的化學元素,最終發現了一種非常不尋常的成分--跟在我們的太陽中看到的這些元素的比例相比,該材料所包含的鐵比鎂多近9倍。

科學家們認為,對這一引人注目的特征最可能的解釋是,這些物質是由第一代恒星留下的,它作為一對不穩定的超新星爆炸。這些非常強大的超新星爆炸版本從未被目睹過,但被認為是質量為太陽150至250倍的巨大恒星的生命終結。

當恒星中心的光子自發地變成電子和正電子--跟電子相對應的帶正電的反物質--時,對不穩定超新星爆炸就會發生。這種轉換降低了恒星內部的輻射壓力\使引力得以克服并引發了坍縮和隨后的爆炸。

跟其他超新星不同,這些戲劇性的事件沒有留下任何恒星殘骸如中子星或黑洞,而是將其所有物質噴射到周圍環境中。只有兩種方法可以找到它們的證據。第一種是在發生時抓住一對不穩定的超新星,這是一種極不可能發生的情況;另一種方法是從它們噴射到星際空間的物質中找出它們的化學特征。

天文學家們在他們的研究中研究了8.1米的雙子座北方望遠鏡使用雙子座近紅外光譜儀(GNIRS)進行的先前觀測結果。光譜儀將天體發出的光分成不同的波長,這些波長帶有關于天體所含元素的信息。雙子座是為數不多的具有合適設備的望遠鏡之一,可以進行這樣的觀測。

然而推斷每一種元素的數量是一項棘手的工作,因為光譜中一條線的亮度除了取決于元素的豐度外還取決于許多其他因素。

該分析的兩位共同作者,來自東京大學的Yuzuru Yoshii和Hiroaki Sameshima通過開發一種利用類星體光譜中的波長強度來估計那里存在的元素的豐度的方法解決了這個問題。正是通過使用這種方法來分析類星體的光譜,他們及其同事發現了明顯的低鎂鐵比。

“對我來說,很明顯,這顆超新星的候選者將是一顆III類星的對不穩定超新星,在這種情況下,整個恒星爆炸而不留下任何殘余物。我很高興也有些驚訝地發現,一顆質量約為太陽300倍的恒星的對不穩定超新星提供了一個鎂與鐵的比率,與我們為類星體得出的低值一致,”Yoshii說道。

之前在銀河系光環中的恒星中已經進行了對前一代高質量III類星的化學證據的搜索并且至少在2014年提出了一個初步的鑒定。然而,Yoshii和他的同事們認為,根據這個類星體中呈現的極低的鎂鐵豐度比,新結果提供了一個最清晰的對不穩定超新星的標志。

如果這確實是最早的恒星之一和一對不穩定超新星的殘骸的證據,那么這一發現將有助于填補我們對宇宙中的物質如何演化成今天的樣子。為了更徹底地檢驗這一解釋,還需要進行更多的觀測以了解其他天體是否具有類似的特征。

但我們可能也能在離家更近的地方找到這些化學特征。盡管高質量的第三類恒星在很久以前就已經滅絕了,但它們在噴出的物質中留下的化學指紋可以持續更長的時間并可能至今仍在徘徊。這意味著天文學家可能會發現,已經消失很久的恒星的對不穩定超新星爆炸的特征仍印在我們本地宇宙的物體上。

論文共同作者、圣母大學的天文學家Timothy Beers說道:“我們現在知道要尋找什么了;我們有一個途徑。如果這發生在非常早期的宇宙中,它應該已經發生了,那么我們將期望找到它的證據?!?/p>

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