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藝術圖版權：中國科學院國家天文臺

(資料圖片)

北京時間6月7日，國際學術期刊《自然》在線發表了中國科學院國家天文臺趙剛研究員帶領的國際團隊的一項重要成果。研究團隊率先在銀暈恒星中發現了第一代超大質量恒星演化后坍縮形成的對不穩定超新星（pair-instability supernova, PISN）存在的化學證據。在此之前，理論研究曾預言這種特殊超新星的存在，但從未被觀測發現。該成果證實這一超新星源自于一顆質量高達260倍太陽質量的第一代恒星，刷新了人們對第一代恒星質量分布的認知。

通過保留在第二代恒星里的父輩恒星演化產物能夠追蹤其父輩恒星的性質

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

超新星是指恒星在演化的最后階段發生了劇烈的爆炸。這個爆炸的事件被稱為超新星爆發。

恒星結構演化理論是現代天文學研究的重要理論基礎。依據該理論，宇宙中的恒星在生命末期會經歷幾種類型的超新星爆發，例如中小質量恒星演化形成的白矮星的熱核爆發、大質量恒星中心鐵核塌縮爆發以及超大質量恒星晚期氧硅核燃燒引起的對不穩定超新星爆發。

超新星爆發時把恒星演化時合成的元素以及爆發時形成的更重的元素拋射到星際空間中，從而極大地改變爆發星體周圍的星際氣體的物質成分。

“換句話說，這些氣體受到超新星爆發噴射出的重元素污染而變得比之前金屬元素含量高很多，氣體在引力的作用下重新凝聚形成新一代恒星也因而具有較高的金屬含量，它們攜帶了父輩恒星演化及爆發形成的元素印記。”清華大學教授王曉鋒說，“這些元素印記能幫助我們追蹤其父輩恒星的性質以及其爆發死亡的物理機制。這好比我們通過查孩子的DNA能夠追尋其父母的特性。”

長期以來，銀河系考古領域一直致力于通過極貧金屬星（金屬含量低于太陽的百分之一）來研究第一代恒星。

國家天文臺副研究員、論文第一作者邢千帆說：“之所以選擇貧金屬星為目標，是因為部分極貧金屬星可能誕生于第一代恒星終結時形成的氣體云，其化學豐度完整保留了第一代恒星演化產物的特征，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。”

首次從觀測上證實了對不穩定超新星的存在

理論研究表明，第一代恒星的質量可以達到太陽質量的數百倍，但人們一直未能從觀測上發現相關證據。

邢千帆告訴記者，通常發現的極貧金屬星保留了核坍縮超新星（core-collapse supernova, CCSN）的核合成產物，但這些超新星的前身星普遍小于100倍太陽質量。對于質量介于140-260倍太陽質量的第一代恒星而言，其核心處產生的正負電子對會減弱恒星內部輻射壓力，并導致恒星坍縮形成一種特殊的超新星，即對不穩定超新星。

邢千帆進一步解釋說：“與核坍縮超新星相比，對不穩定超新星產物具有極為特殊的化學組成，在其演化后形成的氣體云中誕生的第二代恒星會展現出極其罕見的化學豐度模式。”

然而，自上個世紀60年代提出對不穩定的超新星模型以來，一致缺乏直接的觀測證據。

2022年研究團隊結合郭守敬望遠鏡低分辨率光譜和日本昴星團（Subaru）望遠鏡高分辨率光譜數據發現了一顆化學豐度極為特殊的恒星（LAMOST J1010+2358）。這顆恒星具有目前已知最低的鈉含量，其化學豐度還顯示出了強烈的“奇偶效應”，即原子序數為奇數的元素含量遠低于相鄰的原子序數為偶數的元素含量。此外，該恒星基本不含鍶、鋇等中子俘獲元素，幾乎未受到中子俘獲過程的影響。

趙剛說：“這些化學豐度特征無法通過核坍縮超新星理論模型解釋，卻與260倍太陽質量的對不穩定超新星理論計算結果高度吻合。這就意味著我們在這顆恒星上找到了對不穩定超新星存在的化學證據。”

研究團隊表示，這一發現首次從觀測上證實了對不穩定超新星的存在，并為第一代超大質量恒星（超過100倍太陽質量）形成和演化的觀測研究指明了方向。同時，對不穩定超新星的前身星質量大、壽命短，小于300萬年，在其爆發后誕生的恒星極可能是迄今發現的最為古老的第二代恒星。

為第一代超大質量恒星形成和演化的觀測研究指明了方向

趙剛團隊長期從事天體豐度的研究工作，建立了大規模貧金屬星的高分辨率光譜觀測樣本，完成了對其化學豐度的系統性定量分析，為這一發現提供了堅實的基礎。

趙剛稱，此項研究從觀測上證實第一代恒星的質量可以達到太陽質量的數百倍，揭示了PISN在宇宙早期化學增豐過程中的貢獻，對研究第一代恒星的初始質量函數意義重大，并將對元素起源、宇宙早期的恒星形成和星系化學演化等方面的研究產生深遠影響。

《自然》期刊審稿人評價該成果第一次為對不穩定超新星與銀暈恒星化學豐度之間的聯系提供了決定性證據。

日本國立天文臺教授青木和光說：“這項研究成果發現的這顆恒星具有極為獨特的元素豐度，為證明第一代超大質量恒星的超新星爆發提供了最為清晰的證據。”

北京航空航天大學教授梶野敏貴認為，這一發現，以及未來許多可預期的發現，將會揭示早期宇宙中超大質量黑洞形成的未知機制。

王曉峰說：“這項研究從非常獨特的角度首次給出了宇宙早期大質量恒星經歷過對不穩定超新星爆發的關鍵證據，對驗證超新星爆發模型以及限制宇宙早期恒星形成理論均有極為重要的意義。”

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