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科学宇宙第一颗恒星爆炸产生的强大喷流,保持着最原始状态

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从现在的天文领域中所认知的一些现象我们可以发现,宇宙空间自诞生以来,已经经历了几十亿年的发展,在过去这么多年的历史转变过程中,宇宙空间中的各种物质也在不断的发生着变化,特别是一些原始的物质有可能被污染,或者是宇宙空间的不断转变而不再是原来的样子。对于几十亿年前的宇宙空间存在的一些现象而言,我们很难再找寻到最初的状态。不过,宇宙空间是茫茫无际的,在这样一个无尽的空间中,依然有很多未知的现象,这也是科学家们一直对那些比较神秘的现象不断展开研究的力量源泉。

宇宙大爆炸后几亿年后,第一批恒星以大量明亮的氢气和氦气积聚形式闪耀入宇宙。在这些早期恒星的核心内,极端的热核反应形成了第一批较重的元素,包括碳、铁和锌。这些最初的恒星很可能是巨大的、寿命很短的火球,科学家们假设它们爆炸时是类似的球形超新星。但现在麻省理工学院和其他地方的天文学家发现,这些最初的恒星可能已经以一种更强大、更不对称的方式爆炸了。

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在天文学研究者不断对宇宙空间探索的过程中,就发现了宇宙黑暗战壕中存在的一些现象,在这种黑暗的区域中,不仅仅有暗物质,还有许多形状怪异的星云,更存在一些不断吞噬其他星系的天体存在。而在这无尽的的空间中科学家发现一种最为原始的氢气口袋,在研究者对这最原始的物质展开研究之后发现,这些物质在经历了几十亿年的宇宙演变过程中,并没有受到恒星爆炸所释放的重金属元素污染。

喷射出的喷流猛烈到足以将重元素喷射到邻近的星系中。这些元素最终成为了第二代恒星的种子,其中一些至今仍能被观测到。2019年5月8日发表在《天体物理学》上的一篇论文中,研究人员报告了一颗古老的幸存恒星——宇宙第二代恒星之一的1327-2326中含有丰富的锌。科学家认为这颗恒星只有在第一批恒星之一的不对称爆炸使其诞生气体云变得丰富之后,才可能获得如此大量的锌。

科学,有一些科学家在夏威夷天文台研究的过程中,发现了一些刚刚出现大爆炸的、正处于高瓦斯状态的化石。其实一直以来,很多科学研究者,在对一些存在于宇宙黑暗空间的现象展开了不断的了解,尤其在最近有科学家在夏威夷休眠的莫纳克亚火山的一处天文台观测到,在宇宙空间中存在一个非常巨大的星际气体云,只是这样一个气体云在过去几十亿年的宇宙发展中,却从来没有受到影响。在发现了这个气体云后,科学家们便将其称之为LLS1723,在这个气体云上面,没有任何一种明显的痕迹能够显示出比氢更重的一些元素,有研究者认为,氢是在宇宙大爆炸发生后不久,就已经渗入到宇宙里面。

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一项模拟显示了第一颗超新星可能是什么样子,这个模拟显示了超新星在最初爆炸50秒后的形状。图片:Melanie
Gonick

事实上,宇宙空间的探索也一直都是持续不断的,在以往的时候,科学家们在对宇宙空间展开探索的时候,所观察到的那些宇宙空间,往往都是已经没有了原始宇宙的那种特点,甚至这些地方都会因为恒星爆炸的废弃物而深受污染,所以在这些天体上面往往存在一些重元素污染。只是最近发现的这种气体云却是一个非常特殊的存在,而这种气体云的最大特点就是一直保留着最原始的状态,这种状态是在宇宙大爆炸后15亿年之中都没有受到影响的。

麻省理工学院物理学副教授、麻省理工学院卡弗里天体物理与空间研究所成员安娜·弗雷贝尔(Anna
Frebel)说:当一颗恒星爆炸时,它的一部分会像真空吸尘器一样被吸进黑洞。只有当你有了某种机制,比如可以拉出物质的射流,才能在下一代恒星中观察到这种物质,相信这正是这里可能发生的事情。该研究的主要作者、麻省理工学院博士后Rana
Ezzeddine说:这是第一个观测到的证据,表明这样一颗不对称超新星发生在宇宙早期。这改变了我们对第一颗恒星如何爆炸的理解。

在以往科学家们对宇宙空间中出现的第一颗恒星进行研究后发现,在第一颗恒星上面仅仅存在的物质便是氢和氦。而我们现在存在于元素周期表中的任何一个元素,其实都是由恒星内部发生聚变反应之后产生的,因为任何一个恒星在进行爆炸的时候,这种爆炸的现象会使其不断向宇宙空间中进行散发。所以,在宇宙空间不断演变的过程中,各个星体也在不断的遭受各种各样的变化,甚至受到一些重元素的影响。

少量元素

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201327-2326是Frebel在2005年发现的,当时这颗恒星是观测到最缺乏金属的恒星,这意味着它的元素浓度极低,比氢和氦还重。这表明,它是作为第二代恒星的一部分形成,而当时宇宙中大部分的重元素含量尚未形成。第一批恒星质量如此之大,以至于它们几乎必须立即爆炸。作为第二代形成的较小恒星今天仍然存在,它们保存了这些第一代恒星留下的早期物质。太阳只有比氢和氦更重的元素,所以我们知道它一定是作为第二代恒星的一部分形成。2016年5月该团队能够观测到这颗绕地球轨道运行的恒星,距离地球只有5000光年。

然而,让科学家们意想不到的是,在宇宙空间中会存在这样一个单一的气体云,而且这种气体云在不受宇宙空间任何一种重元素的影响。不仅如此,在对这样一个具体原因研究的时候,还发现这个气体云是在宇宙空间最早期形成的,是属于一个非常少见的时间囊,而这样一个时间囊其实是最古老的氢和氦原子打造宇宙的第一批恒星出现之前,就已经开始保存下来。

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其实早在2011年的时候,科学家们通过天文望远镜就探测到了这种从未被污染的气体云现象存在。于是有科学家指出,或许这种现象仅仅是宇宙空间中的一个非常小的特殊点,或许在整个宇宙星系中,还存在许许多多从来就未被污染的空间,只是这样的空间至今都没有被发现。或许在接下来经过不断的研究,科学家们才能真正探索出这种最原始的宇宙空间秘密,对这种没有出现任何污染的天体进行深入的发掘。

研究人员在美国宇航局的哈勃太空望远镜上赢得了超过两周的时间,并记录了多轨道上的星光。他们使用望远镜上的仪器,宇宙起源光谱仪,来测量恒星内各种元素的微小丰度。该光谱仪设计精度高,可接收微弱的紫外光。其中一些波长被某些元素吸收,比如锌。研究人员列出了一份重元素清单,他们怀疑这些重元素可能存在于一颗如此古老的恒星中,他们计划从紫外线数据中寻找,包括硅、铁、磷和锌。Ezzeddine回忆说:我记得我得到了数据,看到这条锌线突然冒出来,我们简直不敢相信,所以我们一遍又一遍地重复分析,发现无论我们如何测量,都得到了非常丰富的锌。

打开星形通道

Frebel和Ezzeddine随后联系了在日本的合作者,他们专门研究超新星和在超新星爆炸后形成的次级恒星模拟。研究人员对超新星进行了超过10000次模拟,每一次都有不同的爆炸能量、结构和其他参数。发现虽然大多数球状超新星的模拟都能够产生一颗含有研究人员在1327-2326观测到元素组成的次生恒星,但没有一颗能够再现锌的信号。事实证明,唯一能够解释这颗恒星构成的模拟,是第一颗恒星的非球面喷射超新星之一,这样一颗超新星的爆炸威力将是氢弹爆炸威力的十万分之一。

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发现第一颗超新星的能量比人们之前想象的要高得多,大约是之前的5到10倍。事实上,先前认为存在一颗更暗的超新星来解释第二代恒星的想法可能很快就需要被摒弃了。该小组的研究结果可能会改变科学家对再电离的理解。再电离是宇宙中气体从完全中性状态转变为电离状态的关键时期,电离状态使星系形成成为可能。人们从早期的观察中认为,第一颗恒星并不那么明亮或充满能量,所以当它们爆炸时,它们不会参与到宇宙的再电离过程中。从某种意义上说,我们正在纠正这张图片,并展示,也许第一批恒星在爆炸时已经有了足够的能量。

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也许现在它们是再电离的有力竞争者,对它们自己的小矮星系造成了严重破坏。这些第一颗超新星的威力也足以将重元素射入邻近的“原始星系”,而这些“原始星系”尚未形成自己的恒星。一旦氢和氦气中含有一些重元素,就更容易形成恒星,尤其是小恒星。有效的假设是,也许这类第二代恒星是在这些被污染的原始星系中形成,而不是在超新星爆炸的同一星系中形成,这一直是我们假设的,没有其他任何思考方式,所以这为早期恒星的形成开辟了一条新通道。

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