新望遠鏡捕捉宇宙誕生第一顆恆星的光，長期來一直是天文學的目標

宇宙大爆炸創造了宇宙的2億到4億年之後，第一批恆星開始出現。通常即使是在2020年發射的美國國家航空航天局新詹姆斯韋伯太空望遠鏡，在太空和時間上如此巨大的距離也將是遙不可及。然而，亞利桑那州立大學的天文學家們正領導著一組科學家，他們提出只要時機把握好，運氣好，韋伯太空望遠鏡就能捕捉到宇宙中誕生第一顆恆星發出的光。亞利桑那州立大學地球與太空探索學院的天體物理學教授Rogier Windhorst說：尋找第一顆恆星長期以來一直是天文學的目標，它會告訴我們關於早期宇宙的真實屬性，直到現在才對電腦建模。

星系群Abell 2744位於距離約35億光年的地方，包含了400多個成員星系。所有星系的共同引力使星團成為一個透鏡，可以放大來自其他恆星的光，包括團隊所希望的，這是宇宙中最早形成的恆星。圖片：NASA/ESA/Arizona State University (R. Windhorst and F. Timmes)

Windhorst的合作者Frank Timmes，地球和太空探索學院的天體物理學教授補充道：想要回答關於早期宇宙的問題，比如，雙星是常見的還是大多數恆星都是單一的？有多少重的化學元素是由最初恆星產生的？那些第一顆恆星是如何形成的？Duho Kim是一個地球和太空探索學院的研究生，他致力於模擬星系中的恆星和塵埃。其他合作者在紙上是j·斯圖亞特·b·Wyithe(澳大利亞墨爾本大學),穆罕默德Alpaslan(紐約大學),斯蒂芬·k·安德魯斯(西澳大利亞大學),丹尼爾·科(太空望遠鏡科學研究所),Jose m .迭戈(學院運動德坎塔布里亞、西班牙),馬克Dijkstra演算法(奧斯陸大學)和西蒙·p·司機和帕特里克·l·凱利(兩個加州大學伯克利分校)。

該小組發表在《天體物理學雜誌增刊》上的論文描述了如何進行具有挑戰性的觀測。為了獲得更大的放大倍數，我們需要「鹼化過渡」，這是一種特殊的排列，當星系團在地球和恆星之間飄過的時候，恆星的光會被放大幾周。因為一群作為透鏡的星系不能產生一個像讀數放大鏡那樣的單一圖像，這就產生了焦散。這種效果更像是透過一塊凹凸不平的玻璃，帶著零區和熱點。一個鹼基是放大最大的地方，因為透鏡狀星雲中的星系在它的內部擴散，它們產生了多重放大的焦散，在空間中像蜘蛛網一樣追蹤一個模式。

這樣的排列有多大可能？雖然小，但不是零，他們注意到因果關係的蜘蛛網是通過撒網來幫助的。此外，每一個鹼基都是不對稱的，如果一個恆星從一邊靠近，那麼它就會產生一個急劇上升到完全的放大倍數，但是如果從另一邊靠近的話，它的上升速度要慢得多。Windhorst解釋說：根據不同的原因，第一顆恆星會在幾個小時或幾個月後變得明亮。然後在達到亮度峰值幾周後，它會慢慢地或快速地淡出，因為它遠離了焦散線。第一顆恆星的一個關鍵屬性是，它們是由早期宇宙的氫和氦混合而成的，而不是像碳、氧、鐵或金等較重的化學元素。第一顆恆星發出耀眼的炙熱和明亮藍白，就像一個指紋一樣，顯示出教科書上的簡單光譜，由ASU小組使用開放軟體工具模塊進行計算，用於恆星天體物理學的實驗。

當天文學家根據溫度和亮度繪製恆星時，恆星位於圖的各個區域;大部分是沿著主序列。太陽位於右下方，其生命周期約為64億年(Gyr)。第一代恆星非常熱，並且在爆炸之前就變得非常大，在僅僅幾百萬年之後就會爆炸。圖片：Arizona State University/F. Timmes

引力透鏡，該任務的第一個關鍵步驟依賴於韋伯望遠鏡的紅外靈敏度。雖然第一顆恆星是巨大的、熾熱的、輻射的遠紫外線，但它們離得太遠，以至於宇宙的膨脹已經將其輻射峰值從紫外光變成了更長的紅外波長。因此星光就會落入韋伯望遠鏡的紅外探測器，就像棒球手的手套里的棒球降落一樣。第二個重要的步驟是利用一個中間星系群引力，作為透鏡聚焦並放大第一代恆星的光。典型的引力透鏡可以將光放大10到20倍，但這還不足以使第一代恆星能夠被韋伯望遠鏡所看到。對於韋伯來說，候選星的光需要增加1萬甚至更多。

另一個可能被相同放大效應所能看到的物體是在大爆炸後形成第一個黑洞周圍的吸積盤。黑洞將是最大規模的第一顆恆星的演化進化結果。如果有這樣的恆星出現在雙星系統中，質量更大的恆星在坍縮到黑洞後，會從伴星中偷取氣體，形成一個進入黑洞的扁平圓盤。一個吸積盤將會顯示出與第一顆恆星不同的光譜，因為它會傳遞一個鹼基，在更短的波長範圍內產生更強的亮度，而與較冷的外區相比，這是在圓盤的最深處。亮度的上升和衰減也需要更長的時間，不過這種效果可能更難檢測。吸積盤預計會有更多的數量，因為孤獨的第一顆恆星會在幾百萬年的時間裡以巨大而熾熱的速度穿過它們的生命，然後爆炸成為超新星。

然而，理論認為，黑洞系統中的吸積盤可能比單獨的第一顆恆星長至少十倍。在其他條件相同的情況下，這將增加檢測吸積盤的幾率。在這個階段，只是推測，但是這個團隊計算出一個觀測程序，它針對幾個星系團，一年幾次，在韋伯望遠鏡的生命周期中，可以找到一個透鏡狀的第一顆恆星或黑洞吸積盤。研究人員選擇了一些目標星團，包括哈勃前沿場星團和被稱為「El Gordo」的星團。Windhorst說：我們只需要運氣好，觀察這些集群就夠了，在韋伯的一生中，天文界需要繼續監控這些星團。這就提出了一個觀點，雖然韋伯太空望遠鏡將是一個技術奇蹟，但它將不會像哈勃太空望遠鏡那樣有一個長期的運行周期。

這張圖說明了來自遙遠星系或恆星的光線是如何被一個中間星系群的引力所彎曲的。結果，地球上的一個觀察者看到遠處的物體看起來比它看起來更亮。圖片：NASA, ESA, and A. Feild and F. Summers (STScI)

哈勃望遠鏡於1990年發射，位於近地軌道，宇航員已經維修了5次。然而，伯太空望遠鏡將被放置在距地球150萬公里(93萬英里)的星際空間的一個重力穩定點。它的設計是5到10年，這可能需要15年的時間，但是有不能進行維修的條款。因此，Windhorst注意到ASU加入了巨型麥哲倫望遠鏡組織。這是一個由大學和研究機構組成的聯盟，他們將在智利拉斯坎帕納斯天文台的高而乾燥的山頂上建造它的同名望遠鏡，該網是理想的紅外觀測。在2026年完工後，將會有一個直徑為24.5米(80英尺)的光收集面，它由七個獨立的鏡子組成。(韋伯太空望遠鏡的主鏡有18個截面，總直徑6.5米，或21英尺。)

格林尼治標準鏡預計將達到比哈勃太空望遠鏡在光譜紅外區域的解析度大10倍。在這段時間裡，韋伯望遠鏡和巨型麥哲倫望遠鏡都將投入使用。Windhorst說：我們計劃用這兩種儀器觀測第一代恆星和其他物體，這將讓我們對兩者的結果進行交叉校準。這兩個望遠鏡之間的重疊在另一方面很重要。GMT的運行壽命將會持續幾十年，直到未來。這與韋伯望遠鏡不同，它最終將耗盡推進器燃料，以維持其太空軌道。當這種情況發生時，與韋伯望遠鏡的聯繫將會消失，它的使命也將結束。Windhorst說：不管怎樣，我們有信心能探測到宇宙中的第一批恆星。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻：天體物理期刊增刊｜來自：亞利桑那州立大學

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