郭守敬望远镜，又名“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜”，它的英文简称叫 LAMOST（Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope）。

图 | 郭守敬望远镜的视频截图（来源：见水印）

其坐落于河北省兴隆县燕山之上，由中科院国家天文台（下称“国家天文台”）承担研制，是目前世界上口径最大的大视场望远镜，具备目前最高的光谱获取率。

【资料图】

2012 年 9 月，郭守敬望远镜正式启动巡天。在天文学中，“巡天”是一种系统观测方式，即对天空进行“普查”。目前，巡天也是人类获取宇宙信息的重要手段。截至 2022 年 9 月，在郭守敬望远镜的帮助之下，已有大约 2000 万条光谱数据得以发布。

前不久，郭守敬望远镜“再立新功”，国家天文台研究员赵刚团队借助郭守敬望远镜和日本昴星团望远镜的数据， 发现了第一代超大质量恒星存在的证据，一颗化学丰度极为特殊的恒星——LAMOST J1010+2358。

它的发现，为观测第一代超大质量恒星的形成和演化指明了方向，对于研究第一代大质量恒星的初始质量函数具有重大意义。

日前，相关论文以《一颗源自对不稳定超新星丰度的贫金属恒星》（A metal-poor star with abundances from a pair-instability supernova）为题发在 Nature 上 [1]，国家天文台副研究员邢千帆是第一作者，国家天文台研究员赵刚为通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature）

借助郭守敬望远镜的低分辨率光谱能力，课题组完成了针对低 Alpha 恒星的丰度分析；借助日本昴星望远镜的高分辨率光谱能力，课题组对相关数据加以细致分析。结果显示， LAMOST J1010+2358 是目前已知的钠含量最低的恒星。

该团队发现 LAMOST J1010+2358 的化学丰度，显示出强烈的“奇偶效应”：即原子序数为奇数的元素含量，要远远低于相邻的原子序数为偶数的元素含量。此外，LAMOST J1010+2358 基本不含有锶、钡等中子俘获元素。

这说明这颗化学特殊的极贫金属星，LAMOST J1010+2358 是第二代恒星，即从第一代恒星的对不稳定超新星爆发而来。

对不稳定超新星，只会发生在质量介于 140 倍至 260 倍太阳质量之间。因此这说明在宇宙演化的早期，确实存在超过 100 倍太阳质量的第一代超大质量恒星。

对不稳定超新星的前身星具有质量大、寿命短的特点，因此在其爆发之后诞生的恒星，极有可能是迄今发现的最为古老的恒星。

（来源：Nature）

意料之中和意料之外

据介绍，宇宙大爆炸之后形成的第一代恒星，仅由氢、氦和少量的锂铍硼组成。通过第一代恒星内部的核聚变和超新星爆发，产生了许多新的元素，这也是形成多姿多彩的宇宙的第一步。

研究第一代恒星的性质，对于认识恒星、星系和宇宙的形成至关重要。依据恒星演化理论的计算可知，恒星在演化晚期会经历几种不同类型的超新星爆发。

在过去几十年间，学界一直在极力寻找第一代恒星。其中两种小于 100 倍太阳质量的超新星，都已经通过极端贫金属星的观测而得以确认。

但是，自 20 世纪 60 年代首次被提出以来，最后一种超新星也就是对不稳定超新星，一直缺乏直接的观测证据。

这类超新星的爆发要求是：初始恒星质量要限定在 140-260 倍太阳质量之间，并能演化形成 70-130 倍太阳质量的氦核。

之后，氦核中心的高温会引发光子的转化从而形成正负电子对，进而会让恒星内部结构出现失衡，最终引发爆炸性的核燃烧。

在爆发时，对不稳定超新星会把恒星演化时所合成的元素、以及爆发时所形成的更重的元素，全部抛射到星际空间之中。

这时，恒星中心并不会留下中子星或黑洞等致密天体，故能极大改变爆发周围的星际气体之中的物质成分。

在引力的作用之下，这些含有一定金属含量的气体就会形成第二代恒星。在物质组成上，第二代恒星具有极为独特的化学元素印记，这些印记是在超大质量的父辈恒星演化之后留下的。

对于人类来说，这些化学元素的特殊丰度模式可以帮助我们追踪第一代超大质量恒星的性质、及其爆发死亡的物理机制。

20 世纪 90 年代，一项具有里程碑意义的天文学观测便是人类发现了银河系星流，也就是著名的人马座星流。这是银河系和附近矮星系合并之后留下的遗迹。随后，人们发现其他星系也普遍存在类似的星流。

这一重大发现改变了人们长期以来对于星系形成的认知。比如，过去我们一直认为由于上百万光年尺度的巨大分子云气体的逐渐坍缩，才形成了尺度在几十万光年的银河系。

图 | 银河系（来源：Pixabay）

随后二十多年间，尽管人们在银河系的观测和研究上取得了不少重要突破，也为现代天体物理开辟了十分重要的前沿学科。但是，要想建立新的星系形成的宏大场景，仍然面临着许多挑战。

比如在冷暗物质的框架之下，数值模拟的结果显示：矮星系的数目远远多于人们在观测中所发现的数目，这也是所谓的“矮星系缺失之谜”。

另外，矮星系物质在银河系中的占比是多少？矮星系是否均匀分布在银河系之中？从银河系的内晕到外晕，矮星系比例是否增加以及增加了多少？

要想回答这些问题，就得知道哪颗星是来自矮星系的“移民”，哪颗星是银河系的“原住民”。Alpha 元素丰度，则是其中的一个重要判断依据。

在银晕之中：低 Alpha 丰度的恒星来自于矮星系，也就是前面提到的“移民”；高 Alpha 丰度的恒星，则是银河系里的“原住民”。

要想测量恒星的 Alpha 丰度，就需要对银河系开展大规模的光谱巡天，这也是郭守敬望远镜在巡天时的重要科学目标，更是赵刚团队此前设定的重要课题。而随着恒星光谱数据量的增长，这让他们得以有机会部分地回答上述几个问题。

要想对低 Alpha 星开展细致研究，必须使用大型望远镜进行高分辨率的光谱观测。这也是此次赵刚课题组与日本国立天文台的同行开展合作的重要原因。

针对低 Alpha 星的观测和分析结果显示，大多数低 Alpha 星都和他们的预期保持一致：即低 Alpha 星是来自于被银河系吸积的矮星系。也有个别低 Alpha 星具有极高的快中子俘获元素丰度，因此它们可能是矮星系双中子星的并合产物。

对于研究银河系的化学演化来说，第一代超大质量恒星的化学遗迹十分重要。通过观测和分析具有不同年龄恒星的元素丰度，可以再现银河系的化学演化规律。

按照目前能被观测到的恒星质量分布情况，通过星系化学演化模型计算，依旧无法得出相应的结果。

为解决这一难题，学界提出了 Top Heavy 的假设：即宇宙大爆炸之后形成的第一代星，主要都是超大质量恒星。

对于这些超大质量恒星来说，在对不稳定超新星爆发的帮助之下，它们能够快速合成各种元素丰度，并能和人类观测结果保持一致。

多年之前，针对各种大质量、超大质量恒星的演化以及合成产物，学界曾经做过详细的计算。随后，科学家开始极力搜寻这类超大质量恒星的存在证据。而此次赵刚团队的发现，弥补了这一证据的空白。

对此他表示：“我想借用辛弃疾的诗句‘众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处’来描述我们的心情，天文观测经常会带来一些意想不到的惊喜。此次发现既有意料之中的结果，也有意料之外的惊喜，这也是宇宙的奇妙之处和天文学持久的魅力所在。”

图 | 赵刚（来源：赵刚）

即将探索另一个宇宙之谜

“发现对不稳定超新星的证据是寻找贫金属星研究领域的‘圣杯’之一。”哈佛大学前天文系主任阿维·勒布（Avi Loeb）曾表示：

在观测角度上确定对不稳定超新星的存在之后，就可以着手解决另一个宇宙未知之谜：即大爆炸之后形成的第一代恒星，到底拥有怎样的初始质量分布？

目前，通过郭守敬望远镜的巡天数据，赵刚等人已经发现了 5000 多颗低 Alpha 恒星。如果加上郭守敬望远镜的最新巡天数据，将能提供更多的低 Alpha 恒星候选体。

利用此次研究中采用的分析方法和研究路径，预计可以发现一些具有不同质量的对不稳定超新星。也有望通过不同质量恒星的大样本光谱数据，来确定第一代大质量恒星和超大质量恒星的初始质量函数。

进而通过结合星系演化模型和初始质量函数，就能对元素起源、银河系和宇宙的化学演化、及其发展趋势作出更为准确的预测。

参考资料：

1.Xing, QF., Zhao, G., Liu, ZW.et al.A metal-poor star with abundances from a pair-instability supernova. Nature 618, 712–715 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06028-1