北京时间6月7日，国际学术期刊《自然》在线发表了中国科学院国家天文台赵刚研究员带领的国际团队的一项重要成果。研究团队率先在银晕恒星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。
第一代恒星给宇宙带来第一缕曙光，是终结黑暗时代的起始点，主导着早期宇宙化学增丰过程和演化历史。理论预言第一代恒星的寿命极短，只存在于高红移的宇宙之中，因此直接观测到第一代恒星的难度极大。长期以来，银河系考古领域一直致力于通过贫金属星来研究第一代恒星，部分极贫金属星（金属含量低于太阳的百分之一）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，从而使我们能够利用这些“活化石”揭示第一代恒星的演化历史。
理论研究表明第一代恒星的质量可以达到太阳质量的数百倍，但人们一直未能从观测上发现相关证据。通常发现的极贫金属星保留了核坍缩超新星（core-collapse supernova, CCSN）的核合成产物，但这些超新星的前身星普遍小于100倍太阳质量。对于质量介于140-260倍太阳质量的第一代恒星而言，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PISN。与核坍缩超新星相比，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。
论文第一作者邢千帆博士介绍，研究团队结合郭守敬望远镜（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发现了一颗化学丰度极为特殊的恒星（LAMOST J1010+2358），它是具有目前已知最低的钠含量。该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（见图1）。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。
论文通讯作者赵刚研究员称，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。
国家天文台赵刚团队长期从事天体丰度的研究工作，建立了大规模贫金属星的高分辨率光谱观测样本，完成了对其化学丰度的系统性定量分析，为这一发现提供了坚实的基础。
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。未来我们期待能够利用LAMOST和中国空间站工程巡天望远镜发现更多化学丰度特殊的恒星，使我们可以通过对第一代恒星遗迹的分析，进一步确定恒星初始质量函数，加深对银河系演化历史的理解。
此项研究得到国家自然科学基金委基础科学中心项目、国家重点研发计划项目和中国科学院青年创新促进会等的资助，主要合作单位包括中国科学院云南天文台、日本国立天文台和澳大利亚莫纳什大学。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06028-1。
图1：化学丰度特殊恒星LAMOST J1010+2358与超新星模型的比较。红色圆点代表LAMOST J1010+2358的元素丰度，黑色实线分别表示前身星质量为10倍太阳质量的核坍缩超新星(a); 85倍太阳质量的核坍缩超新星(b); 260倍太阳质量的对不稳定超新星(c)。
图2：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。
附件下载：