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科学家发现在“超级超新星”爆炸中死亡的第一代恒星的证据

天文学家可能已经发现了第一批照亮宇宙的恒星的古老化学遗迹。研究人员通过对美国国家科学基金会NOIR实验室操作的夏威夷8.1米双子座北方望远镜观测到的一个遥远的类星体进行创新分析发现了一种不寻常的元素比例,在他们看来,这些元素只可能来自一颗300太阳质量的第一代恒星的全面爆炸产生的碎片。

最早的恒星很可能是在宇宙还不到1亿年的时候形成,或者说还不到现在年龄的百分之一。这些早期的恒星被称为第三群,是如此巨大,以至于当它们作为超新星死亡时将自己撕碎并在星际空间中散布一种独特的重元素混合物。然而,尽管天文学家们经过多年的仔细调查,直到现在还没有任何关于这些古老恒星的确凿证据。

天文学家们现在相信,在使用双子座北方望远镜研究了最遥远的已知类星体之一之后,他们已经发现了第一代恒星的爆炸残留物。他们通过使用一种创新的方法来确定类星体周围的云层中所包含的化学元素,最终发现了一种非常不寻常的成分--跟在我们的太阳中看到的这些元素的比例相比,该材料所包含的铁比镁多近9倍。

科学家们认为,对这一引人注目的特征最可能的解释是,这些物质是由第一代恒星留下的,它作为一对不稳定的超新星爆炸。这些非常强大的超新星爆炸版本从未被目睹过,但被认为是质量为太阳150至250倍的巨大恒星的生命终结。

当恒星中心的光子自发地变成电子和正电子--跟电子相对应的带正电的反物质--时,对不稳定超新星爆炸就会发生。这种转换降低了恒星内部的辐射压力\使引力得以克服并引发了坍缩和随后的爆炸。

跟其他超新星不同,这些戏剧性的事件没有留下任何恒星残骸如中子星或黑洞,而是将其所有物质喷射到周围环境中。只有两种方法可以找到它们的证据。第一种是在发生时抓住一对不稳定的超新星,这是一种极不可能发生的情况;另一种方法是从它们喷射到星际空间的物质中找出它们的化学特征。

天文学家们在他们的研究中研究了8.1米的双子座北方望远镜使用双子座近红外光谱仪(GNIRS)进行的先前观测结果。光谱仪将天体发出的光分成不同的波长,这些波长带有关于天体所含元素的信息。双子座是为数不多的具有合适设备的望远镜之一,可以进行这样的观测。

然而推断每一种元素的数量是一项棘手的工作,因为光谱中一条线的亮度除了取决于元素的丰度外还取决于许多其他因素。

该分析的两位共同作者,来自东京大学的Yuzuru Yoshii和Hiroaki Sameshima通过开发一种利用类星体光谱中的波长强度来估计那里存在的元素的丰度的方法解决了这个问题。正是通过使用这种方法来分析类星体的光谱,他们及其同事发现了明显的低镁铁比。

“对我来说,很明显,这颗超新星的候选者将是一颗III类星的对不稳定超新星,在这种情况下,整个恒星爆炸而不留下任何残余物。我很高兴也有些惊讶地发现,一颗质量约为太阳300倍的恒星的对不稳定超新星提供了一个镁与铁的比率,与我们为类星体得出的低值一致,”Yoshii说道。

之前在银河系光环中的恒星中已经进行了对前一代高质量III类星的化学证据的搜索并且至少在2014年提出了一个初步的鉴定。然而,Yoshii和他的同事们认为,根据这个类星体中呈现的极低的镁铁丰度比,新结果提供了一个最清晰的对不稳定超新星的标志。

如果这确实是最早的恒星之一和一对不稳定超新星的残骸的证据,那么这一发现将有助于填补我们对宇宙中的物质如何演化成今天的样子。为了更彻底地检验这一解释,还需要进行更多的观测以了解其他天体是否具有类似的特征。

但我们可能也能在离家更近的地方找到这些化学特征。尽管高质量的第三类恒星在很久以前就已经灭绝了,但它们在喷出的物质中留下的化学指纹可以持续更长的时间并可能至今仍在徘徊。这意味着天文学家可能会发现,已经消失很久的恒星的对不稳定超新星爆炸的特征仍印在我们本地宇宙的物体上。

论文共同作者、圣母大学的天文学家Timothy Beers说道:“我们现在知道要寻找什么了;我们有一个途径。如果这发生在非常早期的宇宙中,它应该已经发生了,那么我们将期望找到它的证据。”

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