第一代超大質量恒星演化成為對不穩(wěn)定超新星的藝術展示圖。中國科學院國家天文臺供圖
近日，國際學術期刊《自然》在線發(fā)表了中國科學院國家天文臺趙剛研究員帶領國際團隊的一項重要成果。研究團隊在銀暈恒星中，發(fā)現了第一代超大質量恒星演化后坍縮形成的“對不穩(wěn)定超新星”存在的化學證據。該成果證實，這一超新星源自一顆質量高達太陽260倍的第一代恒星，刷新了人們對第一代恒星質量分布的認知。
理論研究表明，宇宙大爆炸之后誕生的第一代恒星，其質量可以達到太陽質量的數百倍，但此前一直未能從觀測上發(fā)現相關證據。理論預言第一代恒星的壽命極短，只存在于高紅移的宇宙之中，因此直接觀測到第一代恒星的難度極大。長期以來，銀河系考古領域一直致力于通過貧金屬星來研究第一代恒星，部分金屬含量低于太陽的百分之一的極貧金屬星，可能誕生于第一代恒星終結時形成的氣體云，其化學豐度完整保留了第一代恒星演化產物的特征，從而使我們能夠利用這些“活化石”揭示第一代恒星的演化歷史。
之前發(fā)現的極貧金屬星，保留了核坍縮超新星的核合成產物，但這些超新星的前身星普遍小于100倍太陽質量。對于質量介于140-260倍太陽質量的第一代恒星而言，其核心處產生的正負電子對會減弱恒星內部輻射壓力，并導致恒星坍縮形成一種特殊的超新星，即對不穩(wěn)定超新星。與核坍縮超新星相比，對不穩(wěn)定超新星的產物具有極為特殊的化學組成，在其演化后形成的氣體云中誕生的第二代恒星，會展現出極其罕見的化學豐度模式。
“銀河系化學演化正是本研究團隊的重要研究方向之一。我們可以通過觀測分析具有不同年齡恒星的元素豐度來再現銀河系化學演化規(guī)律。”論文通訊作者趙剛研究員表示，此項研究從觀測上證實第一代恒星的質量可以達到太陽質量的數百倍，揭示了對不穩(wěn)定超新星在宇宙早期化學增豐過程中的貢獻，對研究第一代恒星的初始質量函數意義重大，并將對元素起源、宇宙早期的恒星形成和星系化學演化等方面的研究產生深遠影響。
據論文第一作者邢千帆博士介紹，研究團隊結合郭守敬望遠鏡（LAMOST）低分辨率光譜和日本昴星團（Subaru）望遠鏡高分辨率光譜數據，發(fā)現了一顆化學豐度極為特殊的恒星（LAMOSTJ1010+2358）。該恒星具有目前已知最低的鈉含量，其化學豐度還顯示出了強烈的“奇偶效應”，即原子序數為奇數的元素含量遠低于相鄰的原子序數為偶數的元素含量。此外，該恒星基本不含鍶、鋇等中子俘獲元素，幾乎未受到中子俘獲過程的影響。
這一發(fā)現，首次從觀測上證實了對不穩(wěn)定超新星的存在，并為超過100倍太陽質量的第一代超大質量恒星形成和演化的觀測研究指明了方向。同時，對不穩(wěn)定超新星的前身星質量大、壽命短，小于幾百萬年，在其爆發(fā)后誕生的恒星，極可能是迄今發(fā)現的最為古老的第二代恒星。
“我們期待亞洲天文學家能夠取得更多的重大發(fā)現，讓我們更深刻地理解：世界和我們身體里的原子核是在何時、何地、以何種方式合成的，它們在宇宙演化中又起到了怎樣的關鍵作用?！北本┖娇蘸教齑髮W教授、宇宙學和理論核天體物理外籍專家梶野敏貴說。
《自然》期刊審稿人評價，該成果第一次為對不穩(wěn)定超新星與銀暈恒星化學豐度之間的聯系提供了決定性證據。國家天文臺趙剛研究團隊期待未來能夠利用LAMOST和中國空間站工程巡天望遠鏡發(fā)現更多化學豐度特殊的恒星，使人們可以通過對第一代恒星遺跡的分析，進一步確定恒星初始質量函數，加深對銀河系演化歷史的理解。
