光明網(wǎng)訊（記者 宋雅娟 肖春芳）6月7日，記者從中國科學(xué)院國家天文臺(tái)獲悉，由國家天文臺(tái)天體豐度和星系演化團(tuán)組首席研究員趙剛帶領(lǐng)的國際團(tuán)隊(duì)率先在銀暈恒星中發(fā)現(xiàn)了第一代超大質(zhì)量恒星演化后坍縮形成的對(duì)不穩(wěn)定超新星（pair-instability supernova, PISN）存在的化學(xué)證據(jù)。

在此之前，理論研究曾預(yù)言這種特殊超新星的存在，但從未被觀測(cè)發(fā)現(xiàn)。該成果證實(shí)這一超新星源自于一顆質(zhì)量高達(dá)260倍太陽質(zhì)量的第一代恒星，刷新了人們對(duì)第一代恒星質(zhì)量分布的認(rèn)知。北京時(shí)間6月7日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表了這項(xiàng)重要成果，趙剛研究員為論文通訊作者，國家天文臺(tái)副研究員邢千帆為論文第一作者。

對(duì)不穩(wěn)定超新星晉升銀河系考古“新寵兒”

(資料圖片)

第一代恒星給宇宙帶來第一縷曙光，是終結(jié)黑暗時(shí)代的起始點(diǎn)，主導(dǎo)著早期宇宙化學(xué)增豐過程和演化歷史。理論預(yù)言第一代恒星的壽命極短，只存在于高紅移的宇宙之中，因此直接觀測(cè)到第一代恒星的難度極大。

長(zhǎng)期以來，銀河系考古領(lǐng)域一直致力于通過貧金屬星來研究第一代恒星，部分極貧金屬星（金屬含量低于太陽的百分之一）可能誕生于第一代恒星終結(jié)時(shí)形成的氣體云，其化學(xué)豐度完整保留了第一代恒星演化產(chǎn)物的特征，從而使我們能夠利用這些“活化石”揭示第一代恒星的演化歷史。

理論研究表明，第一代恒星的質(zhì)量可以達(dá)到太陽質(zhì)量的數(shù)百倍，但人們一直未能從觀測(cè)上發(fā)現(xiàn)相關(guān)證據(jù)。通常發(fā)現(xiàn)的極貧金屬星保留了核坍縮超新星（core-collapse supernova, CCSN）的核合成產(chǎn)物，但這些超新星的前身星普遍小于100倍太陽質(zhì)量。

對(duì)于質(zhì)量介于140-260倍太陽質(zhì)量的第一代恒星而言，其核心處產(chǎn)生的正負(fù)電子對(duì)會(huì)減弱恒星內(nèi)部輻射壓力，并導(dǎo)致恒星坍縮形成一種特殊的超新星，即PISN。與核坍縮超新星相比，PISN產(chǎn)物具有極為特殊的化學(xué)組成，在其演化后形成的氣體云中誕生的第二代恒星會(huì)展現(xiàn)出極其罕見的化學(xué)豐度模式。

第一代超大質(zhì)量恒星演化成為對(duì)不穩(wěn)定超新星的藝術(shù)展示圖。對(duì)不穩(wěn)定超新星將富含多種元素的物質(zhì)拋射到星際介質(zhì)中，并以此形成下一代恒星

開展國際合作 LAMOST再立新功

邢千帆介紹，此次研究團(tuán)隊(duì)是結(jié)合郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）低分辨率光譜和日本昴星團(tuán)（Subaru）望遠(yuǎn)鏡高分辨率光譜數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了這顆化學(xué)豐度極為特殊的恒星（LAMOST J1010+2358），它具有目前已知最低的鈉含量。

“這顆恒星的化學(xué)豐度還顯示出了強(qiáng)烈的‘奇偶效應(yīng)’，就是原子序數(shù)為奇數(shù)的元素含量遠(yuǎn)低于相鄰的原子序數(shù)為偶數(shù)的元素含量。此外，它基本不含鍶、鋇等中子俘獲元素，幾乎未受到中子俘獲過程的影響?！毙锨Х忉屨f，這些化學(xué)豐度特征無法通過核坍縮超新星理論模型解釋，卻與260倍太陽質(zhì)量的PISN理論計(jì)算結(jié)果高度吻合（見下圖）。這一發(fā)現(xiàn)首次從觀測(cè)上證實(shí)了PISN的存在，并為第一代超大質(zhì)量恒星（超過100倍太陽質(zhì)量）形成和演化的觀測(cè)研究指明了方向。同時(shí)，PISN的前身星質(zhì)量大、壽命短，小于300萬年，在其爆發(fā)后誕生的恒星極可能是迄今發(fā)現(xiàn)的最為古老的第二代恒星。

化學(xué)豐度特殊恒星LAMOST J1010+2358與超新星模型的比較。紅色圓點(diǎn)代表LAMOST J1010+2358的元素豐度，黑色實(shí)線分別表示前身星質(zhì)量為10倍太陽質(zhì)量的核坍縮超新星(a); 85倍太陽質(zhì)量的核坍縮超新星(b); 260倍太陽質(zhì)量的對(duì)不穩(wěn)定超新星(c)

趙剛表示，此項(xiàng)研究從觀測(cè)上證實(shí)第一代恒星的質(zhì)量可以達(dá)到太陽質(zhì)量的數(shù)百倍，揭示了PISN在宇宙早期化學(xué)增豐過程中的貢獻(xiàn)，對(duì)研究第一代恒星的初始質(zhì)量函數(shù)意義重大，并將對(duì)元素起源、宇宙早期的恒星形成和星系化學(xué)演化等方面的研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

據(jù)悉，趙剛團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事天體豐度的研究工作，建立了大規(guī)模貧金屬星的高分辨率光譜觀測(cè)樣本，完成了對(duì)其化學(xué)豐度的系統(tǒng)性定量分析，為這一發(fā)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

哈佛大學(xué)前天文系主任阿維·勒布（Avi Loeb）稱：“發(fā)現(xiàn)PISN的證據(jù)是貧金屬星研究領(lǐng)域的圣杯之一?！?/p>

《自然》期刊審稿人評(píng)價(jià)該成果第一次為PISN與銀暈恒星化學(xué)豐度之間的聯(lián)系提供了決定性證據(jù)。未來期待能夠利用LAMOST和中國空間站工程巡天望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)更多化學(xué)豐度特殊的恒星，通過對(duì)第一代恒星遺跡的分析，進(jìn)一步確定恒星初始質(zhì)量函數(shù)，加深對(duì)銀河系演化歷史的理解。

北京航空航天大學(xué)教授梶野敏貴表示，見證了中國LAMOST和日本Subaru望遠(yuǎn)鏡多年的成功合作，這次成就是這支國際團(tuán)隊(duì)又一通力合作的成果，這次的發(fā)現(xiàn)，以及未來許多可預(yù)期的發(fā)現(xiàn)，將會(huì)揭示早期宇宙中超大質(zhì)量黑洞形成的未知機(jī)制。

據(jù)介紹，此項(xiàng)研究得到國家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等的資助，主要合作單位包括中國科學(xué)院云南天文臺(tái)、日本國立天文臺(tái)和澳大利亞莫納什大學(xué)。