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原作：Nola Taylor Tillman
翻譯：劉明睿
校對(duì)：劉峰
編排：王璞
后臺(tái)：朱宸宇
原文鏈接：https://www.astronomy.com/science/the-first-stars-may-have-flooded-the-early-universe-with-water/
一項(xiàng)發(fā)表在《自然?天文學(xué)》上的研究發(fā)現(xiàn)，水分子可能早在宇宙形成后的2億年內(nèi)就已經(jīng)出現(xiàn)了。如果將宇宙138億年壽命折算到1年，2億年時(shí)只想當(dāng)于新年的第一個(gè)星期五。這種作為生命之源的分子或許是在宇宙中最初的恒星凋零時(shí)誕生的。該研究還發(fā)現(xiàn)，早在最古老的星系出現(xiàn)之前，巖質(zhì)行星便可以在這些第一代恒星留下的富水環(huán)境中形成。
超新星爆發(fā)
圖源：美國(guó)宇航局戈達(dá)德太空飛行中心
英國(guó)樸茨茅斯大學(xué)（Portsmouth University）的丹尼爾?惠倫（Daniel Whalen）是這項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人。他和同事發(fā)現(xiàn)，這些古老恒星中的超新星爆發(fā)產(chǎn)生了大量的水，而后續(xù)的恒星和行星就將在它們周?chē)皾駶?rùn)”的區(qū)域中形成。
第一代恒星
大爆炸后，遍布宇宙的氫和氦構(gòu)成了最早的一批恒星。這些星星并不位于星系中。那時(shí)，星系這種結(jié)構(gòu)甚至還未形成。由暗物質(zhì)在虛空中織起的巨大網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上，一根根細(xì)絲的交界處，便是這些恒星的所在。氣體被此處強(qiáng)大的引力所俘獲，不斷聚集，直至那些最古老的恒星由此誕生。
這些星星無(wú)比龐大，質(zhì)量甚至能達(dá)到太陽(yáng)的三百倍。但這些巨人的生命燦爛而短暫，極高的溫度會(huì)讓它們激烈地消耗燃料，最后在超新星爆發(fā)中壯烈隕落，并將核聚變產(chǎn)生的重元素播撒到遠(yuǎn)方。
惠倫和同事們用計(jì)算機(jī)分別模擬了具有13倍和200倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星的演化，由它們形成的超新星據(jù)說(shuō)普遍存在于第一代恒星中?！拔覀円宦房粗@些原始恒星形成……直至它們爆炸?！被輦愓f(shuō)道。
超新星中的第一類(lèi)被稱(chēng)作“核心坍縮超新星”（core-collapse supernova），發(fā)生在有著至少八到十倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星中。隨著這些恒星的老化，其核心中的氫元素將逐步耗盡。在那之后，一系列核聚變反應(yīng)會(huì)發(fā)生在核心周?chē)粚訉尤缪笫[般的薄殼狀結(jié)構(gòu)中，并一步步合成出越來(lái)越重的元素。
當(dāng)最后的元素鐵被生成出來(lái)后，恒星中的核聚變已無(wú)力再提供更多的能量。這之后，一直支撐著恒星的聚變反應(yīng)會(huì)逐漸落敗于重力，最終這顆恒星的核心將向內(nèi)坍縮，直至變成一顆無(wú)法再被壓縮的中子星。失去支撐的恒星其他部分隨之墜落，撞向核心后再反彈，形成一股沖擊波。這會(huì)導(dǎo)致額外的核聚變發(fā)生，并產(chǎn)生比鐵更重的元素。
與此同時(shí)，核心中的巨大壓力會(huì)產(chǎn)生中微子，進(jìn)一步增加反彈物質(zhì)的能量。最終這會(huì)撕裂恒星，將所有物質(zhì)——包括新形成的金屬（天文學(xué)家將除氫和氦之外的一切元素都稱(chēng)為金屬）——拋向太空，只留下致密的恒星核心。
另一種情況是“對(duì)不穩(wěn)定超新星”（pair-instability supernovae），它只有在質(zhì)量遠(yuǎn)超太陽(yáng)100倍的恒星中才會(huì)發(fā)生。這些恒星的核心溫度如此之高，以至于光子會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槌蓪?duì)的電子和正電子。但這種能量向物質(zhì)的轉(zhuǎn)化會(huì)使得核心壓力驟然降低，導(dǎo)致其猛烈收縮。這個(gè)過(guò)程釋放出的巨大能量將加劇熱核反應(yīng)，最終引發(fā)一股將恒星撕裂的沖擊波。
惠倫將這種效果形容為一顆巨大氫彈的爆炸。無(wú)與倫比的威力會(huì)徹底摧毀這顆恒星，就連核心都會(huì)被轟至碎片，與所有這顆星星曾存在過(guò)的痕跡一同消散在太空中。
一場(chǎng)“對(duì)不穩(wěn)定超新星”爆發(fā)釋放的能量可高達(dá)核心坍縮超新星的100倍?！八鼈兪怯钪嬷凶钤绲闹卦毓S，其能力非同凡響?！被輦愓f(shuō)。
爆炸之后
在超新星爆發(fā)之后發(fā)生的事更是讓研究者們驚嘆不已。
在爆炸的第一代恒星周?chē)?，還殘留著它們自己的氫氣。惠倫的模擬顯示，引力會(huì)將這些殘留物聚集成小團(tuán)塊狀的結(jié)構(gòu)。隨著超新星噴射出的熾熱物質(zhì)向外擴(kuò)散，這其中包括氧在內(nèi)的金屬元素會(huì)與氫的團(tuán)塊混合，使得它們愈發(fā)快地在引力下收縮。這些新的的金屬還有助于團(tuán)塊冷卻，使得氧能夠與氫結(jié)合并形成水。
但這一過(guò)程會(huì)因超新星的類(lèi)型而略有變化。核心坍縮超新星留下的物質(zhì)流動(dòng)得相對(duì)更平穩(wěn)些，而爆炸威力更強(qiáng)的對(duì)不穩(wěn)定超新星所噴出的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)則更加兇猛，其中強(qiáng)烈的湍流會(huì)產(chǎn)生更多的團(tuán)塊，而且由于噴射物移動(dòng)距離更短，水也形成得明顯更快。再者，“對(duì)不穩(wěn)定超新星”中更高的壓力和溫度會(huì)比核心坍縮產(chǎn)生更多的金屬，使得這些團(tuán)塊冷卻得也更快。
其結(jié)果便是水形成所需的時(shí)間在兩種情況下存在顯著差異。核心坍縮超新星在爆炸后約3000萬(wàn)至9000萬(wàn)年內(nèi)會(huì)形成水，而“對(duì)不穩(wěn)定超新星”僅需300萬(wàn)年。
金屬元素的含量也是影響水形成的一大因素。據(jù)惠倫所說(shuō)，一顆核心坍縮超新星生成的金屬只相當(dāng)于太陽(yáng)質(zhì)量的幾十分之一，但“對(duì)不穩(wěn)定超新星”卻能產(chǎn)出近乎一百倍太陽(yáng)質(zhì)量的金屬，包括三十至五十倍太陽(yáng)質(zhì)量的氧元素。這能夠產(chǎn)生的水要多得多。
核心坍縮超新星周?chē)膱F(tuán)塊含水量可比如今銀河系中的氣體云高出10到30倍，而“對(duì)不穩(wěn)定超新星”能產(chǎn)出的團(tuán)塊含水量更是相比太陽(yáng)系都只略遜一籌。
由于產(chǎn)生“對(duì)不穩(wěn)定超新星”的恒星質(zhì)量更大，它們?cè)谏鼩v程上比同類(lèi)走的更快。這些恒星在堪堪250萬(wàn)年內(nèi)就能走完從誕生、燃燒到隕落的全過(guò)程，而產(chǎn)生核心坍縮超新星的恒星則需要近1200萬(wàn)年來(lái)演化。因此，水分子會(huì)先在最為巨大的恒星周?chē)妊俊?/p>
第一批行星
不論哪種情形，新的恒星都會(huì)從超新星遺留的團(tuán)塊中再度成型。但行星是否也是如此？對(duì)于第一代行星會(huì)從第一代恒星的殘骸中形成的說(shuō)法，人們尚未達(dá)成共識(shí)。但有些模擬結(jié)果確實(shí)表明，這些團(tuán)塊也許就是未來(lái)行星的襁褓。
歐洲空間研究與技術(shù)中心（European Space Research and Technology Center）的天文學(xué)家圭德奧·德·馬爾奇（Guideo De Marchi）并未參與這項(xiàng)新研究，但他曾在類(lèi)似于早期宇宙的低金屬豐度（即極少重元素）環(huán)境中發(fā)現(xiàn)過(guò)原行星盤(pán)。據(jù)他所言，在2003年，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡曾在一個(gè)金屬豐度極低的球狀星團(tuán)中發(fā)現(xiàn)了證據(jù)，暗示一顆巨大行星的存在。
超新星的類(lèi)型也有可能影響形成的行星的類(lèi)型。氣態(tài)巨行星的外層主要由氫和氦構(gòu)成，而巖質(zhì)行星的形成則需要更多的硅酸鹽及其他的重元素。相比之下，對(duì)不穩(wěn)定超新星能比核心坍縮超新星產(chǎn)生更多的金屬（即更復(fù)雜的元素），因此在核心坍縮超新星殘骸中誕生的恒星擁有足夠的原料來(lái)創(chuàng)造類(lèi)似木星的行星，而巖質(zhì)行星有更大機(jī)率繞著對(duì)不穩(wěn)定超新星的子嗣運(yùn)行。
而這一切，也許在最古老的星系成型之前就已悄然發(fā)生。
我們能看見(jiàn)它們嗎？
但別高興的太早：惠倫和同事們只研究了單顆超新星的爆炸。在宇宙網(wǎng)的細(xì)絲交匯處，很可能會(huì)有好幾顆早期恒星一同形成。這些恒星的強(qiáng)大輻射也許能摧毀剛剛形成的水分子?？膳c此同時(shí)，無(wú)處不在的塵埃也可以屏蔽輻射，從而保護(hù)水分子。
這兩種力量間存在一種“脆弱的平衡”，德·馬爾奇如此評(píng)論道。但他秉持著樂(lè)觀的態(tài)度：“既然在如小麥哲倫云這樣的低金屬環(huán)境里，我們看到了有水存在的原行星盤(pán)，那就說(shuō)明至少一部分水分可以被保存下來(lái)?！?/p>
在早期宇宙中尋找水的蹤跡仍是一大挑戰(zhàn)，找到圍繞單一恒星運(yùn)行的第一代行星亦是如此。哪怕這些古老恒星聚集成團(tuán)，它們的光芒對(duì)現(xiàn)有的觀測(cè)設(shè)備而言也太過(guò)暗淡。因此，惠倫的團(tuán)隊(duì)正在研究這些富含水的早期恒星和行星作為一個(gè)整體會(huì)發(fā)出怎樣的信號(hào)。
“早期宇宙中所有（富含水的）恒星和行星……有可能產(chǎn)生一種朦朧的背景發(fā)射，”惠倫表示。下一個(gè)十年里，智利的阿塔卡馬大型毫米波陣列（Atacama Large Millimeter Array）或正在澳大利亞及南非建設(shè)中的平方公里陣列（Square Kilometer Array）將有可能接收到這種信號(hào)。
責(zé)任編輯：DAIKIN
牧夫新媒體編輯部
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