6月7日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表了中國科學(xué)院國家天文臺研究員趙剛帶領(lǐng)的國際團(tuán)隊的一項重要成果。研究團(tuán)隊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不穩(wěn)定超新星（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，但從未被觀測發(fā)現(xiàn)。該成果證實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，刷新了人們對第一代恒星質(zhì)量分布的認(rèn)知。

第一代恒星給宇宙帶來第一縷曙光，是終結(jié)黑暗時代的起始點，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，因此直接觀測到第一代恒星的難度極大。長期以來，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，從而使科學(xué)家能夠利用這些“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（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。對于質(zhì)量介于140至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)電子對會減弱恒星內(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CCSN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展現(xiàn)出極其罕見的化學(xué)豐度模式。

論文第一作者邢千帆表示，研究團(tuán)隊結(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)了一顆化學(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。該恒星的化學(xué)豐度還顯示出了強烈的“奇偶效應(yīng)”，即原子序數(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，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。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理論計算結(jié)果高度吻合。這一發(fā)現(xiàn)首次從觀測上證實了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）形成和演化的觀測研究指明了方向。同時，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。

論文通訊作者趙剛表示，此項研究從觀測上證實第一代恒星的質(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)，對研究第一代恒星的初始質(zhì)量函數(shù)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(xué)演化等方面的研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

哈佛大學(xué)前天文系主任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。”《自然》期刊審稿人評價該成果第一次為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)。

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

論文鏈接

化學(xué)豐度特殊恒星LAMOST J1010+2358與超新星模型的比較。紅色圓點代表LAMOST J1010+2358的元素豐度，黑色實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)量的對不穩(wěn)定超新星(c)。

第一代超大質(zhì)量恒星演化成為對不穩(wěn)定超新星的藝術(shù)展示圖。對不穩(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。