天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙“化石”恒星：鐵含量?jī)H為太陽(yáng)四萬(wàn)分之一

IT之家 3 月 19 日消息，科學(xué)家們化身“宇宙考古學(xué)家”，發(fā)現(xiàn)了一顆罕見(jiàn)的貧鐵第二代恒星 —— 其本質(zhì)上是記錄宇宙化學(xué)演化的化石。就像在地球上發(fā)掘文物能讓我們了解逝去的人類文明一樣，這一觀測(cè)為第一代恒星如何通過(guò)死亡為后代恒星富集化學(xué)元素提供了確鑿證據(jù)。

據(jù)IT之家了解，這顆屬于第二星族（星族 Ⅱ）的恒星，發(fā)現(xiàn)于繪座 Ⅱ 矮星系，該星系位于繪架座，距離地球約 15 萬(wàn)光年。研究借助安裝在維克托 ·M· 布蘭科 4 米望遠(yuǎn)鏡上的暗能量相機(jī)（DECam）完成。這顆恒星被命名為 PicII?503，其鐵含量?jī)H為太陽(yáng)的 1/40000；而太陽(yáng)屬于第三代恒星，也被稱作星族 Ⅰ（命名上易產(chǎn)生混淆）。PicII?503 是銀河系外已知鐵豐度最低的恒星之一，也是人類發(fā)現(xiàn)的最原始恒星之一。

然而，鐵含量極低并非 PicII?503 最特別之處。研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，這顆星族 Ⅱ 恒星碳含量極高，其碳鐵比超過(guò)太陽(yáng)同比例的 1500 倍。這種碳元素超豐的特征，與在銀河系彌散外暈中發(fā)現(xiàn)的貧鐵恒星所具有的獨(dú)特碳信號(hào)高度一致。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì) NOIRLab 項(xiàng)目主任克里斯 · 戴維斯在一份聲明中表示：“這類發(fā)現(xiàn)就是宇宙考古學(xué) —— 發(fā)掘稀有的恒星化石，它們保留著宇宙第一代恒星留下的印記。”

宇宙中的第一代恒星，即星族 Ⅲ，誕生時(shí)宇宙中只有氫、氦，以及極少量更重的元素 —— 天文學(xué)家統(tǒng)稱這些重元素為“金屬”。這意味著星族 Ⅲ 恒星主要由氫構(gòu)成，僅含少量氦和極微量金屬。它們?cè)诤诵腻懺斐鲇钪嬷凶钤绲奶己丸F，并在生命末期以超新星爆發(fā)的形式，將這些物質(zhì)拋灑到星際介質(zhì)中。

富含這些金屬的星際氣體塵埃云最終冷卻、坍縮，孕育出第二代恒星。得益于前代恒星貢獻(xiàn)的重元素，第二代恒星的金屬含量更高。這讓星族 Ⅱ 恒星如同時(shí)間膠囊，記錄了宇宙化學(xué)增豐的關(guān)鍵階段。

斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人阿尼魯?shù)?· 奇蒂在聲明中說(shuō)：“考慮到這類天體極其稀有，能找到一顆明確保留第一代恒星重元素的恒星，幾乎超出了我們此前的認(rèn)知極限。PicII?503 擁有超暗矮星系中已知最低的鐵豐度，為我們打開(kāi)了一扇前所未有的窗口，窺探原始系統(tǒng)中最初的元素形成過(guò)程。”

PicII?503 是首顆在暗弱矮星系中確認(rèn)的星族 Ⅱ 恒星，在 DECam 的 MAGIC 巡天（利用 CaHK 波段測(cè)繪古老星系）數(shù)據(jù)中，它被標(biāo)記為一顆極端貧金屬星。這項(xiàng)為期 54 晚的觀測(cè)項(xiàng)目，初衷就是尋找銀河系及其伴生矮星系中最古老、化學(xué)組成最原始的恒星。

奇蒂表示：“如果沒(méi)有 MAGIC 的數(shù)據(jù)，我們根本不可能在繪座 Ⅱ 超暗矮星系周邊成百上千顆恒星中，把這顆恒星單獨(dú)找出來(lái)。”

奇蒂及其團(tuán)隊(duì)將 MAGIC 數(shù)據(jù)，與智利北部阿塔卡馬沙漠的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）以及麥哲倫 · 巴德望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果結(jié)合，確認(rèn)了 PicII?503 的鐵和鈣豐度極低，是銀河系外觀測(cè)到的最低值。這也揭示出，PicII?503 是首份在矮星系中發(fā)現(xiàn)的化學(xué)增豐記錄。

對(duì)于 PicII?503 驚人的低鐵碳比，一種合理的解釋是：星族 Ⅲ 恒星發(fā)生超新星爆發(fā)時(shí)能量相對(duì)較低。這意味著，碳這類較輕元素會(huì)被拋入星際介質(zhì)，而鐵這類重元素則回落進(jìn)超新星殘骸中。

PicII?503 所在的矮星系是已知最小的矮星系之一，引力也相應(yīng)較弱，這一事實(shí)支持了“星族 Ⅲ 恒星以低能超新星形式死亡”的觀點(diǎn)。

奇蒂說(shuō)：“最讓我激動(dòng)的是，我們觀測(cè)到了原始星系中最初元素合成的結(jié)果，這是一項(xiàng)基礎(chǔ)性觀測(cè)！它還與我們?cè)阢y河系暈中金屬豐度最低的恒星上看到的特征清晰對(duì)應(yīng)，把它們的起源與這些第一代恒星增豐的天體本質(zhì)聯(lián)系在了一起。”

該團(tuán)隊(duì)的研究成果已于本周一（3 月 16 日）發(fā)表在《自然 · 天文學(xué)》期刊上。