宇宙中的那些第一代发光天体

　　现在，大家已经基本接受了这样的观念：宇宙并不是从来都是这个样子的，而是一直在演化，其中的天体也不是与生俱来的，而是经历了从无到有，从少到多的过程。

　　那么，现在宇宙中那些我们熟知的发光天体：恒星、星系、黑洞等等，它们最早是怎么来的呢？我们的银河系非常古老，其中最老的恒星有一百多亿岁。宇宙中最早的发光天体必然形成于更早的时期，那时的宇宙还是一个小孩儿。

图1：宇宙的演化历史。宇宙的年龄约137亿年，第一代发光天体大概形成于宇宙年龄在几千万年到几亿年之间，在这之前宇宙经历了一段所谓“黑暗时期”（图源：NASA）

　　第一代恒星

　　现在宇宙中的恒星基本都在星系里，虽然星系之外也有一些“流浪”的恒星，但是它们原本也是在星系之内的，只不过在发生星系互相碰撞的时候，被撞的抛了出来。但第一代恒星并非如此，它们不是在星系里形成的。或者说，那些宇宙中最早的一批恒星，当它们形成的时候，星系还没有形成。

　　第一代恒星形成的时候，宇宙还非常年轻，暗物质在密度高的地方结团，形成暗物质晕，气体也随之聚集在一起。这时候，这些气体的元素只有氢、氦和少量的锂，其它的元素还没有形成，可供气体冷却的途径相对较少，主要通过氢分子冷却。氢分子的冷却效率不算高，不能把气体冷却到很低的温度，在收缩的过程中气体也不容易碎裂。

　　最终的结果是一个暗物质晕内只能形成一个或者若干个恒星。显然，这样的“恒星集团”被称为星系是不合适的，作为比较，大家可以参考我们所居住的银河系，银河系里有着约1000亿颗恒星！

图2：左图，第一代恒星的艺术想象图；右图，银河系的艺术想象图。早期宇宙中，一个小质量的暗物质晕里往往只能形成一个或几个恒星，而现在的宇宙里，单单我们银河系中就有多达1000亿颗恒星（图源：左图https://kipac.stanford.edu/media/first-starlight，右图NASA/JPL-Caltech）

　　虽然形成的第一代恒星数量较少，但是就单个恒星而言，质量却比我们银河系里最常见的恒星要大得多，可以达到太阳的几十倍甚至几百倍，也有人认为可以达到上千倍。第一代恒星的表面温度也更高，能到十万开以上（太阳的表面温度只有约6000开），因此发出的光也更“硬”（高能部分占比大）。同时，它们的大气中也不含金属谱线。当然，它们寿命也比较短，只有几百万年。

　　以上这些独有的特征，使得第一代恒星在观测中很容易被区分出来。遗憾的是第一代恒星形成在宇宙很早的时候，大致在宇宙年龄为几千万年到几亿年之间。因此它们离我们十分遥远且十分黯淡。

　　例如，一颗100倍太阳质量的第一代恒星，如果形成在宇宙年龄为3亿年的时候，它现在离我们约300多亿光年（没错，这个数比宇宙年龄乘以光速大，这是宇宙膨胀造成的效应），此时它的亮度只有约40等，比哈勃望远镜能够看到的最暗的星星还要暗一万倍，很显然没法被现在的望远镜观测到。

　　不过，第一代恒星爆发产生的超新星会非常亮，有可能被下一代的望远镜捕捉到。即将发射的，作为哈勃望远镜的继承者的詹姆斯·韦伯望远镜(JWST)，其科学目标之一就是捕捉来自第一代恒星的超新星爆发。

图3：数值模拟给出的第一代恒星超新星爆发之后的情形。这个超新星的前身恒星的质量为200倍太阳质量，总共释放了约1052尔格的能量。一颗这样的超新星爆发，抛出的物质传播的距离就可以达到银心到太阳距离的约四分之一（图源：Greif等人2008年的研究论文）

　　了解第一代恒星还有另外一种途径，就是在我们的银河系内寻找古老的极端贫金属星。相对于第一代恒星（这样的短命的庞然大物）而言，这些极端贫金属星是一些小不点，但是寿命非常长，可以一直存活到现在。它们本身不是第一代恒星，但是它们大气里的金属可能来自于第一代恒星，它们好比化石一样，记录了早期宇宙的信息。

图4：詹姆斯·韦伯望远镜（JWST）的探测范围可以达到红移约20，有可能捕捉到第一代恒星的信息（图源：NASA）

　　第一代恒星形成之后，会产生一些对后续新恒星的形成不利的因素，这称为“反馈”效应。比如它们产生的辐射可以破坏掉能冷却气体的氢分子，电离和加热附近的气体，它们的超新星爆发可以把气体吹到暗物质晕的外面。这些都不利于后来的恒星继续形成，因此初期的第一代恒星形成模式几乎是“一锤子买卖”。

　　当一颗或者一批第一代恒星形成之后，除非在它们死亡之后再经历足够长的时间，否则在同一个或者附近的暗物质晕里，很难再有新的恒星形成。我们一般认为第一代恒星的形成是“self-limited”模式，即在有限的体积内，第一代恒星的数量会有一个上限。当然，这个上限到底是多少，我们目前还不清楚，只能期待未来的观测能够回答。

　　在宇宙演化中，第一代恒星起到了一个很重要的作用，就是它的超新星爆发提供了最早的金属元素，含有金属的气体能够更有效地冷却，从而形成下一代的恒星。

　　第一代星系

　　随着宇宙继续演化，当暗物质晕的质量再大一些的时候，一种新的、效率更高的冷却机制开始发挥作用，同时暗物质晕内的气体也更多。于是，恒星就可以批量形成了。

　　更重要的是，由于暗物质晕更大，引力势阱更深，反馈效应并不能完全抑制住恒星的形成，而是努力寻求跟恒星形成的过程达成平衡的状态。这样，在暗物质晕里面，恒星的形成不再是“一锤子买卖”，而是一个持续的过程。这是第一代星系形成的一个标志。

　　恒星持续形成的结果就是，星系里面的恒星既有年轻的、也有年老的，如同我们的银河系那样，最老的恒星有一百多亿岁，而最年轻的才刚刚形成。

　　第一代黑洞

　　人们现在已经观测到了许许多多不同种类的黑洞，比如银河系里有很多恒星级黑洞，某些矮星系中心可能存在中等质量的黑洞，以及活动星系核中心的超大质量黑洞等等。那么，宇宙中的第一代黑洞是什么呢？

　　一般来说，黑洞的形成需要恒星的形成作为前置条件（这里不考虑暴胀产生的原初黑洞）。恒星耗尽燃料之后，其中心部分缺少压强支撑，在引力作用下坍缩成黑洞，这是人们最熟悉的黑洞形成图景。因此第一代恒星死亡之后形成的黑洞自然就是第一代黑洞。

图5：黑洞是一种依然神秘的天体。星系中心的超大质量黑洞有的很安静，几乎不发出任何辐射，有的则非常活跃，不断吞噬周围的物质，发出剧烈的辐射。目前人们依然没有弄清超大质量黑洞的起源（图源：NASA/JPL-Caltech）

　　这些黑洞的质量跟恒星差不多，它们像种子一样，一旦遇到合适的条件，即充足的气体供应，就会长大，最终从几十倍太阳质量的恒星级黑洞成长为十亿甚至百亿倍太阳质量的超大质量黑洞。当然，这个过程可能会十分漫长，并且可能被打断。详细的研究表明，恒星级黑洞很难顺利成长为超大质量黑洞，因此，人们并不确定超大质量黑洞的种子是否来自于第一代恒星。

　　除了上面说的这种途径之外 ，还有另外一种途径也可以形成第一代黑洞。在一个从来没有经历过恒星形成且质量比较大的暗物质晕里，如果它的氢分子被外界的辐射破坏掉了，气体将始终维持较高的温度且无法碎裂。这种情况下，气体的中心部分可以直接坍缩成一个黑洞，或者中心部分先形成一个超大质量恒星，之后再坍缩成黑洞。

　　第二种途径形成的黑洞被统称为“直接坍缩黑洞”。它们的质量在刚诞生的时候就可以达到一万倍到一百万倍的太阳质量，属于我们常说的中等质量黑洞。如果把这些直接坍缩黑洞做为种子，再成长为超大质量黑洞就容易地多。

　　“直接坍缩黑洞”虽然解决了超大质量黑洞的增长问题，但它本身的形成条件却十分苛刻。首先，需要暗物质晕的质量比较大但又不能太大。另外，还要求它里面的气体始终保持“纯洁”，即不受外界的金属污染和电离辐射的影响，但同时又能有足够强的其它辐射来破坏掉氢分子。这就要求在它的附近，有一个既不能太近又不能太远的恒星或者星系。宇宙中有多少暗物质晕能满足以上所述条件，这是有疑问的，因此直接坍缩黑洞的数量也难以估计。

　　这两种第一代黑洞形成的途径，到底哪一个给超大质量黑洞提供了种子，只能留待将来的观测来回答。

图6：两种第一代黑洞形成的途径，上为第一代恒星死亡之后形成的恒星级黑洞，下为直接坍缩形成的中等质量黑洞（图源：张萌后期处理）

　　直到现在，并没有任何直接坍缩黑洞被观测到，可能是因为它们既稀少又黯淡。直接坍缩黑洞的光谱与普通的星系及类星体相比，是有一些差异的，因此可以通过测光观测进行初步的候选体筛选，然后再进行细致的光谱观测来甄别。

　　目前，利用哈勃望远镜和钱德拉望远镜，科学家们已经挑选了一些可能是直接坍缩黑洞的天体，作为候选体留给以后更强大的望远镜做进一步观测。当然也有一些曾经大家以为是直接坍缩黑洞的候选体，经过进一步观测之后被排除掉了。未来，JWST望远镜有可能将筛选直接坍缩黑洞的候选体作为科学目标之一。

　　此外，直接坍缩黑洞也可能形成双黑洞，这样的双黑洞互相绕转，会产生频率较低的引力波，也可作为新一代空间引力波实验的探测目标，例如我国的“太极”计划和“天琴”计划。

　　作者简介：岳斌，国家天文台研究员，主要从事再电离、第一代发光天体等相关研究。张萌，国家天文台在读博士生，主要研究方向为直接坍缩黑洞的形成。

　　责编：万昊宜、袁凤芳

　　编辑：赵宇豪、柒　柒