130億年前的小星系，藏著第一代恒星留下的痕跡？

大約138億年前，在宇宙剛剛誕生之后，宇宙的化學(xué)成分非常簡(jiǎn)單，只包含了大量的氫、氦，以及微量的鋰。像氧、碳等生命所必需的較重元素，在當(dāng)時(shí)尚不存在；它們是在更晚的時(shí)候，于第一代恒星的核心中被“鍛造”出來(lái)的。

幾十年來(lái)，天文學(xué)家一直試圖尋找第一代恒星開(kāi)始把孕育生命所需的元素播撒到宇宙之中的那一刻。然而，承載這些年輕原初恒星的最早期星系一直都太小、太暗，以至于要看清它們的化學(xué)組成，曾被認(rèn)為幾乎不可能。

在一項(xiàng)新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，一個(gè)天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)利用韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST），對(duì)早期宇宙中一個(gè)微小、超暗弱的星系LAP1-B進(jìn)行了觀測(cè)。結(jié)果表明，LAP1-B的氧豐度只有太陽(yáng)的大約二百四十分之一，使其成為迄今發(fā)現(xiàn)的化學(xué)成分最原始的恒星形成星系。

被引力透鏡放大的微光

由于光速有限，JWST觀測(cè)到的是LAP1-B在約130億年前發(fā)出的光；那時(shí)，第一代恒星和星系被認(rèn)為剛形成幾億年。之所以能夠觀測(cè)到LAP1-B，是因?yàn)樗l(fā)出的光被一種稱為“引力透鏡效應(yīng)”的現(xiàn)象放大了100倍：LAP1-B位于星系團(tuán)MACS J0416的后方，這個(gè)星系團(tuán)質(zhì)量極大，其引力場(chǎng)會(huì)像透鏡一樣彎曲周圍的光線，從而把更遙遠(yuǎn)的背景星系放大成像。

然而，即使有這樣的放大效應(yīng)，JWST和哈勃空間望遠(yuǎn)鏡仍未能探測(cè)到LAP1-B中恒星本身發(fā)出的光。于是，天文學(xué)家只能估算LAP1-B中恒星的總質(zhì)量，并給出了一個(gè)上限——不到3300個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。相比之下，銀河系中恒星的總質(zhì)量約為1000億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，而JWST通常研究的星系，恒星質(zhì)量也超過(guò)1000萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。

實(shí)際上，LAP1-B的探測(cè)依靠的是另一種光源。大質(zhì)量恒星會(huì)發(fā)出高能輻射，這些輻射可以激發(fā)周圍的氣體云，也就是星云。被激發(fā)后的氣體不會(huì)發(fā)出連續(xù)的光，而是在某些特定波長(zhǎng)上發(fā)光，這些特定波長(zhǎng)的光就叫發(fā)射線。這些發(fā)射線可以用來(lái)識(shí)別氣體云中高度電離的原子種類。這些譜線可以通過(guò)JWST等望遠(yuǎn)鏡上的光譜儀器探測(cè)到；因此，發(fā)射線可以作為“星系正在形成恒星”的線索。

幾乎沒(méi)有重元素的星系

在LAP1-B中，研究人員觀測(cè)到了氫、氦、碳和氧的發(fā)射線。通過(guò)分析這些發(fā)射線的相對(duì)強(qiáng)度，他們推斷了星云的化學(xué)組成，以及為星云提供能量的恒星具有怎樣的性質(zhì)。

測(cè)量結(jié)果顯示，LAP1-B的化學(xué)組成極不尋常：

• 首先，如果用氧氫比來(lái)衡量，LAP1-B中的重元素（比鋰更重的元素）總含量只有太陽(yáng)中的0.4%。這是迄今在仍在活躍形成恒星的星系中發(fā)現(xiàn)的最低比例。

• 其次，LAP1-B 的星云中似乎含有異常豐富的碳。

基于這些異常，研究人員推測(cè)，這些碳來(lái)自第一代恒星，也就是一個(gè)至今尚未被直接觀測(cè)到的恒星群體——星族Ⅲ。

星族III恒星

星族III恒星是理論上最早形成的一代恒星，它們完全由大爆炸留下的氫、氦和微量的鋰構(gòu)成。星族III恒星雖然一開(kāi)始不含重元素，但它們內(nèi)部會(huì)發(fā)生核聚變。核聚變會(huì)把輕元素合成為更重的元素，比如碳、氧等。當(dāng)這些恒星在生命末期爆發(fā)為超新星時(shí)，內(nèi)部合成出的重元素可能會(huì)被拋射到周圍的氣體云，也就是星云中。

此外，星族III恒星也被認(rèn)為質(zhì)量巨大且結(jié)構(gòu)致密。它們內(nèi)部有著更強(qiáng)的引力，可能會(huì)導(dǎo)致能量較低但富含碳的超新星爆發(fā)。綜合來(lái)看，這些觀測(cè)表明，LAP1-B似乎是一個(gè)正處在宇宙化學(xué)演化門(mén)檻上的星系。

有意思的是，研究人員還探測(cè)到了三重電離碳的發(fā)射線。所謂三重電離碳，是指一個(gè)碳原子已經(jīng)失去了自身6個(gè)電子中的一半。要從碳原子中剝離多個(gè)電子，需要極紫外光子，其能量必須超過(guò)47.9電子伏特。這一能量遠(yuǎn)高于普通大質(zhì)量恒星通常發(fā)出的光子能量，暗示著LAP1-B中的一些恒星不僅化學(xué)成分非常原始，而且質(zhì)量可能超過(guò)100個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。

這是LAP1-B中存在星族III恒星的可能證據(jù)，但也可能是存在異常巨大的星族II恒星。

通向最早星系的一扇窗口

不過(guò)，這項(xiàng)研究的結(jié)論仍然存在一些不確定性。研究人員認(rèn)為，未來(lái)還需要更多研究來(lái)確認(rèn)對(duì)這些譜線強(qiáng)度比的解釋。此外，還需要進(jìn)一步工作來(lái)判斷，他們看到的LAP1-B距離第一代恒星活躍的時(shí)代到底有多近：這個(gè)系統(tǒng)中的重元素含量比已知最原始的恒星高出10倍，而且較高的碳氧比并非只有第一代恒星才能產(chǎn)生。

盡管存在這些不確定性，LAP1-B 仍然為我們理解第一代恒星和星系提供了迄今JWST揭示出的最佳線索之一。現(xiàn)在，許多尋找類似星系的工作也正在進(jìn)行，它們也同樣利用星系團(tuán)來(lái)放大遙遠(yuǎn)宇宙中的天體。

#參考來(lái)源：

https://www.nature.com/articles/d41586-026-01151-1

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10374-1

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：NASA, ESA, CSA & K.Nakajima et al., Nature