我们为什么要寻找宇宙中第一颗恒星？

宇宙确实存在第一颗恒星，但是我们还没有找到它们

高红移星系 RXJ2129-z8HeII 包含电离氦特征及其恒星光谱的严重蓝色倾斜。然而，它含有极其大量的氧气，根据目前的证据，这使其成为原始材料的可怕候选者。

关键要点

2022 年 12 月，一组天文学家在没有足够证据的情况下大喊大叫，声称发现了“第三族群”恒星：即宇宙中有史以来形成的第一类恒星。

然而，他们声称检测到的特征本身不足以确定他们检测到的是原始恒星还是富集恒星。

一向负责的《广达》杂志在两个月内第二次搞砸了一份备受瞩目的报道，因许多虚假声明而倒下。如果您需要正确的信息，以下是您应该了解的内容。

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在这个宇宙中，有许多我们确定一定存在的事物，即使我们还没有发现它们。我们理解中的这些空白包括最早的恒星和星系：在热大爆炸的早期阶段不存在但后来大量存在的物体。尽管哈勃太空望远镜和最近的 JWST 让我们非常接近所有最早的天体——目前的记录保持者是一个星系，它的光从大爆炸后仅 3.2 亿年传到我们这里——但是我们发现的并不是很原始。

相反，我们看到的最遥远、最古老的物体仍然相当进化，显示出恒星以前在其中形成的证据，而不是我们仍在寻找的东西：第一次形成恒星的气体。就像科学中的许多“第一”一样，有许多团队提出非常有力的声明，但证据并不完全支持，比如我们刚刚发现了这些原始的、所谓的“人口 III”的一个例子的声明遥远星系中的恒星：宇宙第一颗恒星的证据。尽管Quanta Magazine 发表了一篇错误百出的文章，称赞了这种可能的检测，但根本没有证据支持这种说法。

让我们剥开令人窒息的炒作，揭开其背后的清醒真相。

（来源：NAOJ）

宇宙中最早形成的恒星与今天的恒星不同：不含金属，质量极大，注定要形成被气体茧包围的超新星。恒星在形成之前需要一系列的宇宙步骤才能形成，而冷却中性、原始物质是关键和关键的一步。

根据我们当前最好的理论和观察的宇宙,它的历史可能包括如下：

宇宙膨胀发生，在宇宙中播下所有尺度的量子涨落，

膨胀结束，在称为热大爆炸的事件中产生一个充满物质和辐射的宇宙，

其中量子涨落（能量）在所有宇宙尺度上都变成了密度涨落，

然后宇宙膨胀、冷却、引力并经历物质与辐射的相互作用，

引起质子和中子的稳定形成，

经历核聚变形成氢和氦原子核，加上微量的锂，

作为等离子体的一部分，它会受到引力吸引，而辐射会反推这种吸引力，

然后宇宙冷却到足以稳定形成中性原子，

其次是中性物质引力和吸引物质，在高密度区域，来自周围的平均和低于平均密度区域，

直到达到临界阈值，使物质坍缩以触发恒星的形成，

它们活着，燃烧燃料，死去，丰富了周围的环境，

然后吸积更多的物质，甚至与其他恒星、星团和高密度区域融合在一起，形成最早的原星系和星系，

然后在不断膨胀的宇宙中继续生长、进化和融合。

正如你可能怀疑的那样，我们有直接和间接的观察证据，证明其中许多步骤已经发生，但也存在许多空白：我们强烈怀疑这些确切步骤发生了，但没有确凿的观察证据。

（图片来源：NASA/ WMAP科学团队）

CMB的波动是基于通货膨胀产生的原始波动。特别是，如果没有通货膨胀，大规模（左侧）的“平坦部分”就无法解释。扁平线表示在宇宙的前 380,000 年中将出现峰谷模式的种子，右侧（小尺度）仅比左侧（大尺度）低几个百分点。“摆动”模式是在物质和辐射受到引力和相互作用后印在 CMB 中的东西。

然而，我们确实有强有力的证据证明宇宙过去发生过许多这样的步骤。我们知道宇宙在大爆炸后不久诞生时的密度波动光谱（上图，直线），因为我们观察到中性原子首次形成时的情况（上图，波浪线）以及物质密度缺陷的物理学在膨胀的、电离的、富含辐射的宇宙中演化。

我们还知道，根据大爆炸核合成科学和观察到的最轻元素（氢、氘、氦 3、氦 4 和锂 7）的丰度，这些不同元素之间的原始比例是多少在第一颗恒星形成之前。

最后，从我们确实看到的恒星和星系，无论是在附近还是在遥远的宇宙距离，我们知道我们只确定了星系，其中需要比前几代恒星的其他更重的元素——如氧、碳和其他所谓的“alpha”元素在元素周期表中从氧（氖、镁、硅、硫等）中一次上升两个元素——也存在于更原始的氢和氦中。

（图片来源：E. Siegel/Beyond the Galaxy（左）；NASA/WMAP 科学团队（右））

宇宙中最轻的元素是在热大爆炸的早期阶段产生的，原始质子和中子融合在一起形成氢、氦、锂和铍的同位素。铍都是不稳定的，在恒星形成之前，宇宙只剩下前三种元素。观察到的元素比率使我们能够通过比较重子密度与光子数密度来量化宇宙中物质-反物质的不对称程度，并使我们得出结论，即宇宙总现代能量密度仅约 5%允许以正常物质的形式存在，重子与光子的比率，除了恒星的燃烧，在任何时候都基本保持不变。

Quanta Magazine 文章报道的其中一件事（部分正确）是，社区内流传着一个想法，即通过电离氦的特征来寻找第一批恒星，以寻找可能检测到它们的方法。他们错误地报告说这是氦 2 的特征，这与事实相去甚远。让我们分清真假。

当科学家们谈论这些元素时，我们通常用它们的名字来称呼它们，并在它们后面加上一个数字：例如，氦 2、氦 3 和氦 4。元素名称（在本例中为氦）告诉您其原子核中有多少个质子：2，因为氦是元素周期表中的第二个元素。名字后面的数字告诉你原子核的总质量，也就是质子数加上中子数。因此，氦2是两个质子没有中子，氦3是两个质子和一个中子，氦4是两个质子和两个中子。

氦 3 和氦 4 是稳定的；一旦你制造了它们，它们就会一直存在，直到它们参与核反应：唯一一种能够摧毁或改变它们的反应。另一方面，氦 2 被称为双质子，仅在恒星发生的核聚变中产生：质子-质子链的第一步。

（图片来源：E. Siegel ）

当两个质子在太阳中相遇时，它们的波函数会重叠，从而临时产生氦 2：一个双质子。几乎总是，它简单地分裂回两个质子，但在极少数情况下，由于量子隧道效应和弱相互作用，会产生稳定的氘核（氢 2）。

双质子或氦 2 原子核的平均寿命不到 10 -21秒：在宇宙和核尺度上都是一眨眼的功夫。最常见的情况是，这个不稳定的原子核会分解成最初形成它的两个质子。然而，大量双质子中的一个会发生微弱衰变，其中一个质子会衰变为中子、正电子、电子中微子和（通常）光子。双质子或氦 2 可以衰变成氘或氢 2（具有一个质子和一个中子）这一事实使得核反应能够在包括我们的太阳在内的大多数恒星内部发生。

但是没有稳定和/或可检测的氦 2 源或储存库；这与天文学家正在寻找的东西无关。相反——这是一个极其重要的区别——天文学家正在寻找电离氦，有时在文献中将其写为 He II 或 He[II]。那是因为：

He[I] 指中性氦，或周围有两个电子的氦核（以平衡氦核中两个质子的电荷），它适用于温度低于 ~12,000 K 的所有氦原子。

He[II] 指的是曾经电离的氦，或周围只有一个电子的氦原子，它发生在 ~12,000 K 和 ~29,000 K 之间的温度下。

He[III] 反转为双电离氦，或周围没有电子的裸氦核，发生在约 29,000 K 及以上的温度。

当然，较重的元素可以用更多的能量电离更多次，但由于其原子核中的质子数量，氦最多只能电离两次。

（图片来源：Pablo Carlos Budassi /Wikimedia Commons）

最早形成的恒星和星系应该是第 III 星族恒星的家园：恒星仅由热大爆炸期间首次形成的元素构成，其中 99.999999% 完全是氢和氦。从未见过或确认过这样的人口，但有些人希望詹姆斯·韦伯太空望远镜能够揭示它们。与此同时，我们所见过的最遥远的星系都非常明亮，本质上是蓝色的，但并不完全原始。

我们完全相信，宇宙一定是用它可用的最早的原始材料形成了恒星，只有当第一代恒星已经生死存亡后，才能用更丰富、更重的元素制造后续几代恒星。在那第一代创造，开始存在。

关于这些最早的恒星，我们有很多不了解的地方：我们称之为第 III 星族的恒星。（为什么？因为含有大量重元素的恒星，例如我们的太阳，是第一个被发现的恒星群：第 I 群。我们通过检查球状星团发现的第二种类型的恒星，其重元素含量要少得多，并且代表完全不同的种群：种群 II。理论上，一定存在完全没有重元素的恒星：种群 III。这就是我们要寻找的！）

但我们完全怀疑的是，星族 III 恒星的质量将非常高，平均质量约为太阳质量的 10 倍（或 1000%）。相比之下，今天诞生的普通恒星只有太阳质量的 40%；造成这种差异的原因是重元素——恒星内部产生的元素——是气体需要的东西，可以将能量辐射出去，使其冷却并因引力坍缩。如果没有这些重元素，就需要非常低效且相对稀有的氢 (H 2 ) 分子将能量辐射出去，从而产生非常大的、巨大的气体云，这些气体云坍缩形成非常大质量的恒星。

（图片来源：ESO/M. Kornmesser ）

CR7 的插图，这是第一个检测到的星系，它被认为容纳了第 III 星族恒星：宇宙中有史以来形成的第一批恒星。后来确定这些恒星毕竟不是原始恒星，而是贫金属恒星群的一部分。最早的恒星一定比我们今天看到的恒星更重、质量更大、寿命更短，通过测量和了解贫金属恒星发出的光，我们可以解开任何额外的光来寻找证据一个真正原始的恒星种群。

这就是物理学变得有趣的地方。你的恒星质量越大，它就越亮、越蓝，它的温度就越高，而且，也许与直觉相反，它的寿命就越短，因为它燃烧核燃料的速度远快于质量较小的恒星。换句话说，我们预计，无论我们在哪里形成第 III 星族恒星，它们在其中最大质量的恒星消亡之前应该只存在很短的时间，从而显着丰富星际介质并产生包含重元素的后续几代恒星：人口 II，甚至在发生足够的富集后，人口 I 成为恒星。

然而，即使出现的最“第一批”恒星是由这种原始的、以前从未富集过的物质构成的，但这些并不是第 III 星族恒星应该存在的唯一地方。在任何从未被前几代恒星喷射出的物质丰富的地方，原始物质应该是那里的东西。虽然我们还没有检测到恒星是由这种原始材料形成的证据，但我们已经检测到原始材料本身。事实上，我们发现的原始材料并非来自宇宙历史的最初几百万年，而是在大爆炸后 20 亿年发现的：发现于一组相对孤立的地点。

（图片来源：M. Fumagalli、JM O'Meara 和 JX Prochaska，《科学》，2011 年）

通过类星体吸收线检测到的前两个原始气体样本于 2011 年被发现。它们都大约来自大爆炸后约 20 亿年，尽管显示出强烈的中性氢特征（黄色/红色曲线），但非- 对氧、硅、碳和其他元素的检测表明，这种气体至少有 100,000 分之一是真正纯净的。

为了检测这些早期最原始恒星的数量，需要一个聪明的方案。毕竟，如果你寻找错误的特征，很容易让自己感到困惑，因为这是天文学家以前做过的事情：专门用一个名为 CR7 的星系来自欺欺人。最初，他们正在寻找 He[II]，即电离氦，没有任何更重的元素，如氧和碳。尽管确实存在氧气，但作者声称，有证据表明该星系中有一个区域没有重元素，但确实具有很强的氦特征：第 III 星族恒星与更老、更丰富的第 2 星族恒星并存。作为使用高级仪器的后续研究明确表明，不，根本没有证据表明在这个星系的任何地方都有原始恒星群。

这将我们带到了这项最新研究中所讨论的星系：RXJ2129-z8HeII。在 8.16 的红移下，这对应于大爆炸后仅 6.2 亿年发出的光。事实上，作者确实检测到了电离氦的特征。

不幸的是，它们还检测到大量的单电离氧和双电离氧。事实上，这个星系的星系内气体介质特别富含这些重元素。在这个特殊的星系中，当宇宙只有现在年龄的 4.5% 时，气体的浓度已经是我们现代太阳和太阳系的 12%。

（图片来源：X. Wang 等人，提交给 Nature，2022 年；arXiv：2212.04476 ）

星系 RXJ2129-z8HeII 的哈勃、JWST NIRCam 和 JWST NIRSpec 数据。这个物体的恒星光谱有异常强烈的蓝色倾斜，但在存在的高浓度气体和恒星中存在任何原始物质的证据都太脆弱，如果没有进一步、更有力的数据，就无法认真对待。

再一次，尽管缺乏证据——他们所能指出的只是观察到的恒星光谱的轻微暗示、严重的蓝色倾斜——这个团队再次复活了在早期星系 CR7 中被质疑的旧观点：也许有一颗人口原始恒星嵌入其中并出现在肯定存在的更进化的星族 II 恒星中。

这是一个可教的时刻，因为这正是天文学等科学领域中没有真正看到狼的“狼来了”的样子。

找到电离氦，每个人都应该知道这一点，只表明你的气体中存在氦，它被加热到大约 12,000 K 的温度。要产生双电离氧，你需要超过一个数字的温度更像是〜 50,000 K。事实上，我们大量地看到了这两者，这是一个非常强烈的暗示，我们有：

许多新的大质量恒星，

一个非常明亮的，甚至可能是星爆星系，

以及银河系中大量存在的氦和氧。

没有可靠的证据表明任何恒星都是由原始材料构成的。这纯粹是猜测。这远远不足以宣称是一项发现；你需要强有力的证据，而不仅仅是可疑的证据加上健康但不加批判的想象力。

（图片来源：X. Wang 等人，提交给 Nature，2022 年；arXiv：2212.04476 ）

星系 RXJ2129-z8HeII 的光谱，显示电离氦、一些氢线和 500.8 纳米处非常强的双电离氧线的特征。对于宇宙的早期阶段来说，这是一个极其富含金属的环境；任何关于第 III 族群恒星的暗示都是极具推测性的。

不幸的是，这是许多研究人员首次发现“新”事物的竞赛的典型情况：你可以指望他们中的许多人在令人信服的、令人信服的证据出现之前就获得了荣耀。然而，任何负责的记者在一家自负的科学出版物上工作，以“天文学家说他们发现了宇宙的第一颗恒星”为标题，发表这样一篇错误百出的文章，是完全不能接受的。没有证据证明这一点，在科学界，我们不关心任何人——无论多么有名或有声望——说了什么；我们关心什么是真的，什么不是真的。

事实上，这是 Quanta Magazine在两个月的时间里第二次引人注目的拙劣工作（另一次是关于虫洞和量子计算机的主题）应该给科学报道界敲响警钟。当我们停止报道真实情况，转而报道任何为自己的虚荣名声而哭泣的科学家所断言的那一刻，那正是我们将所有新闻顾虑抛在脑后的时刻。

清醒的事实是，宇宙中第一批原始的第 III 星族恒星肯定就在那里，而且还没有令人信服的证据表明我们已经找到了它们。在我们得到明确且可靠的东西之前，比如在完全没有任何形式的氧气的情况下的电离氦，我们都应该对这种说法和任何此类说法保持适当的怀疑。弄清关于我们自己的宇宙的事实取决于它。

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