郭守敬望遠鏡，又名“大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡”，它的英文簡稱叫 LAMOST（Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope）。

圖 | 郭守敬望遠鏡的視頻截圖（來源：見水?。?

其坐落于河北省興隆縣燕山之上，由中科院國家天文臺（下稱“國家天文臺”）承擔研制，是目前世界上口徑最大的大視場望遠鏡，具備目前最高的光譜獲取率。

【資料圖】

2012 年 9 月，郭守敬望遠鏡正式啟動巡天。在天文學中，“巡天”是一種系統觀測方式，即對天空進行“普查”。目前，巡天也是人類獲取宇宙信息的重要手段。截至 2022 年 9 月，在郭守敬望遠鏡的幫助之下，已有大約 2000 萬條光譜數據得以發布。

前不久，郭守敬望遠鏡“再立新功”，國家天文臺研究員趙剛團隊借助郭守敬望遠鏡和日本昴星團望遠鏡的數據， 發現了第一代超大質量恒星存在的證據，一顆化學豐度極為特殊的恒星——LAMOST J1010+2358。

它的發現，為觀測第一代超大質量恒星的形成和演化指明了方向，對于研究第一代大質量恒星的初始質量函數具有重大意義。

日前，相關論文以《一顆源自對不穩定超新星豐度的貧金屬恒星》（A metal-poor star with abundances from a pair-instability supernova）為題發在 Nature 上 [1]，國家天文臺副研究員邢千帆是第一作者，國家天文臺研究員趙剛為通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Nature）

借助郭守敬望遠鏡的低分辨率光譜能力，課題組完成了針對低 Alpha 恒星的豐度分析；借助日本昴星望遠鏡的高分辨率光譜能力，課題組對相關數據加以細致分析。結果顯示， LAMOST J1010+2358 是目前已知的鈉含量最低的恒星。

該團隊發現 LAMOST J1010+2358 的化學豐度，顯示出強烈的“奇偶效應”：即原子序數為奇數的元素含量，要遠遠低于相鄰的原子序數為偶數的元素含量。此外，LAMOST J1010+2358 基本不含有鍶、鋇等中子俘獲元素。

這說明這顆化學特殊的極貧金屬星，LAMOST J1010+2358 是第二代恒星，即從第一代恒星的對不穩定超新星爆發而來。

對不穩定超新星，只會發生在質量介于 140 倍至 260 倍太陽質量之間。因此這說明在宇宙演化的早期，確實存在超過 100 倍太陽質量的第一代超大質量恒星。

對不穩定超新星的前身星具有質量大、壽命短的特點，因此在其爆發之后誕生的恒星，極有可能是迄今發現的最為古老的恒星。

（來源：Nature）

意料之中和意料之外

據介紹，宇宙大爆炸之后形成的第一代恒星，僅由氫、氦和少量的鋰鈹硼組成。通過第一代恒星內部的核聚變和超新星爆發，產生了許多新的元素，這也是形成多姿多彩的宇宙的第一步。

研究第一代恒星的性質，對于認識恒星、星系和宇宙的形成至關重要。依據恒星演化理論的計算可知，恒星在演化晚期會經歷幾種不同類型的超新星爆發。

在過去幾十年間，學界一直在極力尋找第一代恒星。其中兩種小于 100 倍太陽質量的超新星，都已經通過極端貧金屬星的觀測而得以確認。

但是，自 20 世紀 60 年代首次被提出以來，最后一種超新星也就是對不穩定超新星，一直缺乏直接的觀測證據。

這類超新星的爆發要求是：初始恒星質量要限定在 140-260 倍太陽質量之間，并能演化形成 70-130 倍太陽質量的氦核。

之后，氦核中心的高溫會引發光子的轉化從而形成正負電子對，進而會讓恒星內部結構出現失衡，最終引發爆炸性的核燃燒。

在爆發時，對不穩定超新星會把恒星演化時所合成的元素、以及爆發時所形成的更重的元素，全部拋射到星際空間之中。

這時，恒星中心并不會留下中子星或黑洞等致密天體，故能極大改變爆發周圍的星際氣體之中的物質成分。

在引力的作用之下，這些含有一定金屬含量的氣體就會形成第二代恒星。在物質組成上，第二代恒星具有極為獨特的化學元素印記，這些印記是在超大質量的父輩恒星演化之后留下的。

對于人類來說，這些化學元素的特殊豐度模式可以幫助我們追蹤第一代超大質量恒星的性質、及其爆發死亡的物理機制。

20 世紀 90 年代，一項具有里程碑意義的天文學觀測便是人類發現了銀河系星流，也就是著名的人馬座星流。這是銀河系和附近矮星系合并之后留下的遺跡。隨后，人們發現其他星系也普遍存在類似的星流。

這一重大發現改變了人們長期以來對于星系形成的認知。比如，過去我們一直認為由于上百萬光年尺度的巨大分子云氣體的逐漸坍縮，才形成了尺度在幾十萬光年的銀河系。

圖 | 銀河系（來源：Pixabay）

隨后二十多年間，盡管人們在銀河系的觀測和研究上取得了不少重要突破，也為現代天體物理開辟了十分重要的前沿學科。但是，要想建立新的星系形成的宏大場景，仍然面臨著許多挑戰。

比如在冷暗物質的框架之下，數值模擬的結果顯示：矮星系的數目遠遠多于人們在觀測中所發現的數目，這也是所謂的“矮星系缺失之謎”。

另外，矮星系物質在銀河系中的占比是多少？矮星系是否均勻分布在銀河系之中？從銀河系的內暈到外暈，矮星系比例是否增加以及增加了多少？

要想回答這些問題，就得知道哪顆星是來自矮星系的“移民”，哪顆星是銀河系的“原住民”。Alpha 元素豐度，則是其中的一個重要判斷依據。

在銀暈之中：低 Alpha 豐度的恒星來自于矮星系，也就是前面提到的“移民”；高 Alpha 豐度的恒星，則是銀河系里的“原住民”。

要想測量恒星的 Alpha 豐度，就需要對銀河系開展大規模的光譜巡天，這也是郭守敬望遠鏡在巡天時的重要科學目標，更是趙剛團隊此前設定的重要課題。而隨著恒星光譜數據量的增長，這讓他們得以有機會部分地回答上述幾個問題。

要想對低 Alpha 星開展細致研究，必須使用大型望遠鏡進行高分辨率的光譜觀測。這也是此次趙剛課題組與日本國立天文臺的同行開展合作的重要原因。

針對低 Alpha 星的觀測和分析結果顯示，大多數低 Alpha 星都和他們的預期保持一致：即低 Alpha 星是來自于被銀河系吸積的矮星系。也有個別低 Alpha 星具有極高的快中子俘獲元素豐度，因此它們可能是矮星系雙中子星的并合產物。

對于研究銀河系的化學演化來說，第一代超大質量恒星的化學遺跡十分重要。通過觀測和分析具有不同年齡恒星的元素豐度，可以再現銀河系的化學演化規律。

按照目前能被觀測到的恒星質量分布情況，通過星系化學演化模型計算，依舊無法得出相應的結果。

為解決這一難題，學界提出了 Top Heavy 的假設：即宇宙大爆炸之后形成的第一代星，主要都是超大質量恒星。

對于這些超大質量恒星來說，在對不穩定超新星爆發的幫助之下，它們能夠快速合成各種元素豐度，并能和人類觀測結果保持一致。

多年之前，針對各種大質量、超大質量恒星的演化以及合成產物，學界曾經做過詳細的計算。隨后，科學家開始極力搜尋這類超大質量恒星的存在證據。而此次趙剛團隊的發現，彌補了這一證據的空白。

對此他表示：“我想借用辛棄疾的詩句‘眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處’來描述我們的心情，天文觀測經常會帶來一些意想不到的驚喜。此次發現既有意料之中的結果，也有意料之外的驚喜，這也是宇宙的奇妙之處和天文學持久的魅力所在?！?

圖 | 趙剛（來源：趙剛）

即將探索另一個宇宙之謎

“發現對不穩定超新星的證據是尋找貧金屬星研究領域的‘圣杯’之一。”哈佛大學前天文系主任阿維·勒布（Avi Loeb）曾表示：

在觀測角度上確定對不穩定超新星的存在之后，就可以著手解決另一個宇宙未知之謎：即大爆炸之后形成的第一代恒星，到底擁有怎樣的初始質量分布？

目前，通過郭守敬望遠鏡的巡天數據，趙剛等人已經發現了 5000 多顆低 Alpha 恒星。如果加上郭守敬望遠鏡的最新巡天數據，將能提供更多的低 Alpha 恒星候選體。

利用此次研究中采用的分析方法和研究路徑，預計可以發現一些具有不同質量的對不穩定超新星。也有望通過不同質量恒星的大樣本光譜數據，來確定第一代大質量恒星和超大質量恒星的初始質量函數。

進而通過結合星系演化模型和初始質量函數，就能對元素起源、銀河系和宇宙的化學演化、及其發展趨勢作出更為準確的預測。

參考資料：

1.Xing, QF., Zhao, G., Liu, ZW.et al.A metal-poor star with abundances from a pair-instability supernova. Nature 618, 712–715 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06028-1