《自然·天文学》于29日刊发
类星体 SDSS J0100+2802 附近发现17个星系，金属含量仅为太阳的3%
金属含量不到同一时期其他星系的一半
发现了仅留下第一代恒星超新星残骸的气体
“第一代恒星存活至宇宙诞生约10亿年后，并在大型星系边缘诞生”
要点
▶ 一个利用詹姆斯·韦布空间望远镜观测早期宇宙的国际研究团队，发现了一片由17个重元素含量异常低的星系组成的区域。研究结果于当地时间29日发表于《自然·天文学》。这些星系形成时，宇宙的年龄约为10亿年。
▶ 这些星系的平均金属含量约为太阳的3%，不到同一时期、处于类似高密度环境的星系的一半。宇宙中的重元素由恒星制造，因此金属含量低意味着气体较为原始，尚未经历太多恒星世代的加工。
▶ 星系群附近的气体中，碳和硅相对于氧异常丰富。这一元素比例与理论预测的第一代恒星——也就是第三星族恒星——爆发后留下的超新星残骸相吻合。
研究人员发现了一群星系，它们可能留下了宇宙中最早点亮的恒星的痕迹。
由丹麦哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所下属宇宙黎明中心的研究员李志豪、垣一一光树和丽丝·克里斯滕森领衔的国际研究团队，于当地时间29日宣布，他们利用詹姆斯·韦布空间望远镜，在宇宙诞生约10亿年时的宇宙中，发现了一个由17个重元素含量异常低的星系组成的星系群。研究发表于《自然·天文学》。
来自中国清华大学、意大利的里雅斯特天文台和佛罗伦萨大学、德国马克斯·普朗克天文学研究所，以及美国亚利桑那大学和密歇根大学等机构的27名研究人员参与了研究，来自韩国高等科学院物理学部的一名研究人员也列为论文共同作者。
星系群附近的气体中，研究人员发现了与理论预测的第一代恒星超新星残骸相符的元素比例。论文题为《再电离时代末期金属贫乏星系过密区中的第一代恒星印记》（First-star imprints in a metal-poor galaxy overdensity near the end of reionization）。
◆ 能找到第一代恒星吗？
大爆炸后不久，宇宙中只有氢和氦。碳、氧、铁等重元素都是在恒星内部形成的。
天文学把所有比氦重的元素统称为“金属”。因此，宇宙中最早的恒星诞生于完全不含金属的气体之中。
天文学家把最早的一代恒星称为第三星族恒星。像太阳这样金属含量较高的恒星属于第一星族，前一代是第二星族，最早的一代则是第三星族。编号之所以倒过来，是因为它们被发现的顺序如此。
第三星族恒星目前仍只存在于理论中。由于不含金属的气体难以冷却，必须聚集成更大的团块才能形成恒星，因此科学家认为，这些恒星的质量可能达到太阳的数十倍乃至数百倍。如此巨大的恒星会在数百万年内以超新星形式爆发。
长期以来，主流观点认为，这些恒星在大爆炸后的数亿年内就已全部消失，因此如今无法用望远镜直接观测。不过仍有办法：寻找第一代恒星爆发后散落的残骸。理论预测，第一代恒星的超新星会产生相对于氧而言异常丰富的碳和硅。找到具有这种元素比例的气体，就意味着第一代恒星曾在那里存在过。
◆ 借助128亿年前的光作为灯塔
研究人员用作灯塔的是类星体。类星体是星系中心的超大质量黑洞吞噬周边物质时，亮度超过整个星系的天体。
研究团队选择的目标是位于双鱼座与仙女座之间的类星体 SDSS J0100+2802，它是大爆炸后10亿年以内已知最明亮的类星体。韦布望远镜早期宇宙观测计划 EIGER 自2022年起持续观测这一目标。
原理就像手电筒：类星体发出的光在抵达地球途中穿过气体云时，气体中的元素会吸收特定波长的光。将光按波长展开后，被吸收的位置会留下黑线。测量哪些波长被吸收、吸收程度如何，就能判断气体中含有哪些元素及其含量。
研究人员从欧洲南方天文台甚大望远镜的光谱仪获取的类星体光谱中，找到了红移值为5.945处的气体云。红移表示光因宇宙膨胀而被拉长的程度；红移值5.945意味着光约在128亿年前出发。按宇宙年龄计算，当时宇宙诞生约9.5亿年。
大爆炸后，宇宙曾长期被中性氢雾笼罩，随后第一批恒星和星系发出的紫外线逐渐驱散了这层迷雾。天文学家将这一时期称为“再电离时代”，认为它在宇宙诞生约10亿年时结束。
红移值5.945对应迷雾几乎消散殆尽的时期。研究人员在类星体光谱中发现，气体云前后都有光线容易通过的区域，因此判断气体云周围处于一个已经电离的巨大气泡中，并暴露在附近天体发出的强烈辐射下。这意味着，留下第一代恒星残骸的地方并非偏远区域，而是恒星和星系活跃发光的地带。
这团气体中的碳和硅相对于氧异常丰富，正是理论预测的第一代恒星超新星遗留下来的元素比例。研究人员将观测结果与计算第一代和第二代恒星超新星元素产量的模型进行比较，判断这团气体主要混合了第一代恒星的残骸。作为对照，他们还从同一批数据中找出了一团元素比例符合第二代恒星超新星残骸特征的气体。
◆ 不只是残骸，周围还有一片星系社区
接下来，研究人员想知道这团气体附近有什么。他们利用韦布望远镜的近红外相机拍摄了类星体周边的大范围天区，并筛选出距离相同的星系。通过计算哪些星系彼此接近并将它们归为一组，研究人员发现，留下第一代恒星残骸的气体云周围聚集着17个星系。在早期宇宙中，这样的星系密集区十分罕见。
筛选星系时，研究人员使用了韦布望远镜的无缝隙光谱观测功能。这种方式可以一次性将视野中所有天体的光按波长展开，因此无需逐一对准每个星系，就能在大片天空中同时筛选出发出特定波长光线的天体。
研究团队以氧离子发出的辐射线作为标记。年轻恒星较多的星系会产生强烈的氧离子辐射线；通过测量其波长被拉长的程度，还能判断星系的距离。研究人员从类星体周边天区中筛出探测到氧辐射线、且红移值与气体云相同的星系，最终发现17个星系聚集在同一区域。
研究人员叠加这17个星系的光谱并测量其平均金属含量，结果约为太阳的3%。与同一时期、星系密集程度相近的其他区域相比，金属含量低了0.4 dex，也就是不到一半。
dex是以10为底的对数单位，0.4 dex约相当于2.5倍的差距。类星体周边天区还有三个同一时期的星系过密区，那里的星系金属含量明显更高。只有留下第一代恒星残骸的气体云附近，聚集着金属含量异常低的星系。
研究人员认为，这两个现象相互吻合：星系本身金属含量低，周围气体受到后续恒星世代残骸的污染也较少，因此第一代恒星的痕迹得以保留，没有被抹去。气体云与最近的星系相距约238千秒差距，即约78万光年。第一代恒星的残骸位于星系中心之外很远的地方。
◆ 第一代恒星形成的时间比想象中更晚
这项研究最重要的意义在于观测到的时间点。宇宙诞生约10亿年时，距离第一代恒星全部消失已经有相当长的时间，但它们的残骸仍留在星系群附近。
研究人员认为，第一代恒星可能直到那时仍零星形成，也可能是混有第一代恒星残骸的气体存活了很长时间。计算机模拟早已预测，第一代恒星可能持续存在到宇宙诞生约6亿至10亿年时。理论与观测结果由此相互印证。
研究团队估算，包围这一星系群的暗物质晕，其质量至少约为太阳的500亿倍。
暗物质晕是环绕星系的不可见物质团块，也是星系成长的摇篮。如此巨大的暗物质晕中，已经存在形成过多个恒星世代的星系。
第一代恒星要在这类区域的边缘形成，可能有两种途径。一种可能是，在已经发展成熟的星系外围，仍残留着一团不含金属的气体，后来才形成恒星。
前几代恒星发出的紫外线，可能阻碍了气体冷却，从而推迟恒星形成。另一种可能是，第一代恒星先在较小的卫星暗物质晕中形成，之后该暗物质晕并入大型星系。研究人员表示，这两种情景都与观测结果相符。
◆ 寻找第一代恒星的其他途径
寻找第一代恒星的研究正沿着多条路线推进。其中一种方法，是直接捕捉第一代恒星发出的光。
像第一代恒星那样炽热的恒星，会强烈发出波长为1640埃、由氦离子产生的光。如果发现某个星系只发出这种光、却没有金属吸收线，就可能证明第一代恒星正在那里诞生。研究人员指出，红移约为11的区域此前已有此类星系候选体的报告。
另一条路线是测量早期星系本身的气体。丹麦哥本哈根大学宇宙黎明中心的研究人员今年6月发表论文称，他们利用韦布望远镜分析了大爆炸后5亿至6亿年时三个星系的吸收线，发现其碳含量高于氧。虽然方法不同，但结论指向同一方向。
这篇新论文则开辟了第三条路线：把类星体用作灯塔，测量星系外部气体，同时考察气体附近星系群的金属含量。
星系内部容易被近期形成的恒星发出的光遮蔽，使古老痕迹难以辨认。星系外部的冷气体则能更长时间保存这些痕迹。研究人员表示，测量金属贫乏星系周边气体的元素比例，是追踪第一代恒星痕迹的一条有前景的途径。
◆ 观测到了什么，又有哪些内容尚未观测到
研究人员并没有直接看到第一代恒星。他们是通过被认为由第一代恒星留下的元素比例，寻找其痕迹。观测到的元素比例与第一代恒星的化学富集模型相符，但这并不等于直接确认了第一代恒星的存在。
研究人员也将其称为“痕迹（imprints）”，而不是直接探测。在论文预印本公开时使用的标题中，还采用了“可能的化学特征（Possible chemical signatures）”这一表述。
测量星系金属含量的方法也存在不确定性。不过，研究人员将不同校准方法的结果进行比较后发现，测量值之间的差异仍处于统计不确定性范围内。
接下来的任务，是把同样的方法应用于更多早期宇宙环境。利用韦布望远镜开展的 ASPIRE 项目观测了25个类星体，EIGER 项目则观测了6个类星体，并持续积累早期宇宙星系数据。
如果能找到更多保留第一代恒星化学痕迹的气体，并结合周边星系的特征进行分析，就有望进一步缩小第一代恒星形成的时间范围，并了解它们诞生于何种环境。这项工作正借助恒星留下的元素痕迹，追寻宇宙最初被点亮的时代。