韦伯能找到宇宙中第一颗恒星吗

宇宙中最早的恒星肩负着重要的使命。它们由大爆炸产生的原始元素形成，因此不含金属。他们有责任合成第一批金属并将其传播到附近的宇宙中。

詹姆斯韦伯太空望远镜在寻找宇宙最早的星系方面取得了一些进展。寻找第一颗恒星时它能取得同样的成功吗?

寻找宇宙中的第一个星系是一项极其艰巨的任务，也是建造JWST的主要动机之一。来自这些古老物体的光被红移到红外线中，而JWST擅长感知红外线。通过在红外线中进行深场观测，太空望远镜已经定位了一些最早的星系。

但最初的恒星比最初的星系更古老。第一批恒星在大爆炸后大约50至1亿年形成，它们的光芒最终结束了宇宙的黑暗时代。天体物理学家认为这些恒星非常大，质量高达1000个太阳。

这项新研究的标题是“利用JWST检测和表征高度放大的恒星：寻找星族III的前景”。它将发布在《皇家天文学会月刊》上，目前可在arXiv预印本服务器上获取。主要作者是瑞典乌普萨拉大学物理与天文学系的埃里克·扎克里森(ErikZackrisson)。

“由于在这些早期时期缺乏有效的冷却剂和化学不丰富的气体中的碎片，由此产生的无金属(又名第三族)恒星被认为具有极高的质量(特征质量〜10-1000个太阳质量)，”作者写道。

为了看到这些早期的大质量恒星，JWST需要引力透镜的帮助。作者解释说：“引力透镜效应可能使单个大质量恒星在宇宙学距离内可以被探测到，并且近年来已经探测到了几颗极度放大的恒星，其红移达到了z~6。”在z~6处，光线需要超过127亿光年才能到达我们。

引力透镜利用了一个巨大的前景物体(如星系团)位于我们和我们想要观察的物体之间的情况。当来自目标的光经过前景物体(称为引力透镜)时，光会被放大。这使得原本不可见的物体变得可见。

第一批恒星的红移约为z=20，如果JWST能够利用引力透镜，它应该能够看到这种光。如果可以的话，那么强大的望远镜将开始为我们提供早期宇宙一段时期的观测证据，迄今为止我们主要通过理论来理解：再电离时代(EoR)。

在EoR期间，宇宙被浓密、模糊的氢气雾所控制。当第一批恒星形成时，它们的紫外线使气体重新电离，从而允许光传播。这是宇宙生命中的关键一步，因此找到一些对此负责的古代PopIII恒星是一个重要的目标。

这些第一批恒星在其他方面也很引人注目，它们塑造了我们的宇宙。它们质量巨大，比太阳亮数百万倍，而且与太阳这样的恒星相比，它们的寿命也很短。它们要么爆炸成超新星，要么塌陷成黑洞。那些变成黑洞的那些吞噬了气体和其他恒星，并成为宇宙中第一个类星体。天体物理学家认为，这些类星体通过吸积和合并而成长为超大质量黑洞，锚定着银河系等星系的中心。

那些作为超新星爆炸的也发挥了重要作用。他们锻造了比氢和氦更重的元素，然后在爆炸时将这些金属散布回太空。后来出现的恒星含有其中一些金属，这些金属也形成了岩石体。在第三族超新星爆发之前，不存在岩石行星，当然也不存在生命的可能性。因此，这些巨大的古老恒星，无论它们最终是超新星还是黑洞，都为我们今天看到的宇宙奠定了基础。

如果JWST成功，就不会有这些恒星祖先的漂亮照片了。相反，会有数据。解开这些数据并确定其中是否有PopIII恒星是一项复杂的任务。这项努力将太空望远镜和使用它的科学家推向了极限。

一方面，很难通过光谱来区分富含金属的恒星和贫金属的PopIII恒星。原因之一是这些大质量恒星中的大多数可能都是双星对，这使得光信号变得复杂。另一个原因是，如果恒星仍然相对年轻，它们可能会被星云氢包围，这也使得光信号难以解释。

如果JWST能够找到其中一些恒星，那么这台开创性的望远镜——已经取得了惊人的成功——将更加成功。它和操作它的人正在有条不紊地勾选其科学目标清单上的方框。