260倍太阳质量，郭守敬望远镜发现第一代超大质量恒星化学遗迹

说起恒星，大家第一个想到的就是太阳。太阳是相对年轻的恒星，年龄约为46亿年。那么宇宙中最古老的恒星是什么样的？质量能有多大？

中国科学院国家天文台赵刚研究员带领的国际团队率先在银河中发现了第一代超大质量恒星演化后坍缩形成的对不稳定超新星（pair-instability supernova, PISN）存在的化学证据。在此之前，理论研究曾预言这种特殊超新星的存在，但从未被观测发现。该成果证实，这一超新星源自于一颗质量高达260倍太阳质量的第一代恒星，刷新了人们对第一代恒星质量分布的认知。

北京时间6月7日17时，国际学术期刊《自然》在线发表了这一重要研究成果。

第一代超大质量恒星演化成为对不稳定超新星的艺术展示图。对不稳定超新星将富含多种元素的物质抛射到星际介质中，并以此形成下一代恒星。国家天文台供图

第一代恒星曾为宇宙带来第一缕曙光，但质量分布成谜

太阳是公众最为熟悉的恒星，它是富含金属的星族I恒星（天文学上把氢和氦之外的元素统称为金属元素）。比太阳更古老的恒星称为星族II恒星，它们的金属丰度（含量）非常低。

而最古老的恒星称为星族III恒星，也就是第一代恒星，它们诞生于宇宙大爆炸之后的1亿年至2亿年，即130多亿年前。第一代恒星只含有宇宙大爆炸产生的氢、氦及少量的锂元素。这也意味着，恒星越古老，其金属丰度（含量）越低。

第一代恒星结束了宇宙的黑暗时代，给宇宙带来第一缕曙光，也主导着早期宇宙演化历史。通过内部核燃烧和演化末期的超新星爆发，第一代恒星创造了新的元素，这些元素被抛洒到星际空间，这是构成多彩世界的第一步。

“但第一代恒星仍有很多未解之谜。”论文第一作者、国家天文台副研究员邢千帆说，一是第一代恒星的质量分布范围，即最小的有多小，最大的有多大；二是第一代恒星的质量分布，即质量大的恒星数量多还是质量小的恒星数量多；三是近邻宇宙中是否能发现还存活的第一代恒星。

恒星演化理论显示，第一代恒星的质量分布范围非常广，从0.1倍太阳质量到10万倍太阳质量，但实际上，只有8倍到100倍太阳质量的第一代恒星得到观测上的证认支持，其余的尚停留在理论层面上。

这是什么原因？邢千帆解释称，100倍太阳质量以上的超大质量恒星已经发生超新星爆发消失了，科研人员很难追溯并研究它的性质。

恒星考古，通过宇宙“活化石”反推第一代恒星质量

100倍太阳质量以上的超大质量恒星到底是数量稀少还是不存在？科研人员利用宇宙“活化石”进行了恒星考古。

长期以来，银河系考古领域一直致力于通过贫金属星中的第二代恒星来研究第一代恒星，部分极贫金属星可能诞生于第一代恒星终结时形成的气体云，其化学丰度完整保留了第一代恒星演化产物的特征，从而使科研人员能够利用这些宇宙“活化石”揭示第一代恒星的演化历史。

理论模型显示，8倍到100倍太阳质量的第一代恒星会形成核坍缩超新星。与其演化过程不同，质量介于140倍至260倍太阳质量的第一代恒星，其核心处产生的正负电子对会减弱恒星内部辐射压力，并导致恒星坍缩形成一种特殊的超新星，即对不稳定超新星（pair-instability supernova, PISN）。

PISN产物具有极为特殊的化学组成，在其演化后形成的气体云中诞生的第二代恒星会展现出极其罕见的化学丰度模式。通过观测发现具有这一化学丰度模式的第二代恒星，科研人员不仅可以证实存在质量介于140倍至260倍太阳质量的第一代恒星，还可以确定第一代恒星的质量。

郭守敬望远镜海量光谱再立功，首次从观测上证实PISN存在

如何在茫茫的第二代恒星“活化石”中“筛”出特殊的极贫金属星？数十年来，银河系考古领域一直在搜寻。如今，“一眼千星”的郭守敬望远镜（LAMOST）显露出超强的本领。

据国家天文台天体丰度与星系演化团组首席研究员、论文通讯作者赵刚介绍，恒星光谱就像是恒星的DNA，通过光谱，天文学家可以确定恒星的温度、压力和化学组成等，破解这颗恒星的“身世之谜”。郭守敬望远镜（LAMOST）是目前国际上口径最大的大视场望远镜，可同时观测4000个天体，其发布的光谱数已经超过2000万条，其中绝大多数都是恒星光谱。

结合郭守敬望远镜（LAMOST）低分辨率光谱和日本昴星团（Subaru）望远镜高分辨率光谱数据，研究团队发现了一颗化学丰度极为特殊的恒星（LAMOST J1010+2358），它有一个最显著的特征——具有目前已知最低的钠含量。

这颗恒星的化学丰度还显示出了强烈的“奇偶效应”，即原子序数为奇数的元素含量远低于相邻的原子序数为偶数的元素含量。此外，该恒星基本不含锶、钡等中子俘获元素，几乎未受到中子俘获过程的影响。

这些化学丰度特征无法通过核坍缩超新星理论模型解释，却与260倍太阳质量的PISN理论计算结果高度吻合。这一发现首次从观测上证实了PISN的存在，并为第一代超大质量恒星（超过100倍太阳质量）形成和演化的观测研究指明了方向。

同时，PISN的前身星质量大、寿命短，小于300万年，在其爆发后诞生的恒星极可能是迄今发现的最为古老的第二代恒星。

赵刚称，此项研究从观测上证实第一代恒星的质量可以达到太阳质量的数百倍，揭示了PISN在宇宙早期化学增丰过程中的贡献，对研究第一代恒星的初始质量函数意义重大，并将对元素起源、宇宙早期的恒星形成和星系化学演化等方面的研究产生深远影响。

“这篇论文大概是最近十年来第一代恒星研究领域最重要的成果之一。”在点评这一成果时，圣母大学教授蒂莫西·比尔斯表示，这类超大质量恒星的寿命很短，大约会在几百万年内变成超新星而终结，并留下特殊的化学印记。理论学家预言了质量高于150倍太阳质量的恒星可能会留下这样独特的印记，而在这篇论文之前，这些印记从未被明确发现过。

哈佛大学前天文系主任阿维·勒布（Avi Loeb）称：“发现PISN的证据是贫金属星研究领域的圣杯之一。”《自然》期刊审稿人评价该成果第一次为PISN与银晕恒星化学丰度之间的联系提供了决定性证据。

邢千帆说，此次研究将第一代恒星的质量拓展到了260倍太阳质量，未来将发现更多受PISN主导的第二代恒星，揭示100倍太阳质量以上的第一代恒星的质量分布。

世界首个，郭守敬望远镜发布光谱数突破两千万

据国家天文台郭守敬望远镜运行和发展中心常务副主任赵永恒介绍，3月31日，郭守敬望远镜取得的巡天数据集发布，包含光谱总数2229万余条，是目前国际上其他巡天望远镜已发布光谱数之和的2.9倍。郭守敬望远镜成为世界上首个发布光谱数突破两千万的巡天项目。他表示，今年9月到2028年6月，郭守敬望远镜将进行第三期光谱巡天。

郭守敬望远镜被安放在中国科学院国家天文台兴隆观测站，该站地处燕山主峰南麓。LAMOST，是大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜的英文缩写（The Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope）。作为国家重大科学工程，郭守敬望远镜于2001年9月开工，工程总造价3.15亿元。

郭守敬望远镜的建成，突破了天文望远镜大视场与大口径难以兼得的难题，成为目前国际上口径最大的大视场望远镜。2012年9月，郭守敬望远镜正式进入科学巡天阶段。

新京报记者 张璐

编辑 刘茜贤 校对 刘军