新研究：早期宇宙中的恆星質量甚至比太陽大10萬倍

3月20日消息，一項新研究發現，早期宇宙中誕生的第一批恆星質量都要比太陽質量大幾萬倍，有些恆星甚至是太陽質量的10萬倍，相當於目前宇宙中的1000顆最大恆星。

如今宇宙中最大的恆星質量是太陽的100倍。但研究人員發現，早期宇宙中充斥着超大質量恆星，都是太陽質量的幾萬倍。它們誕生得很快，壽命也很短。而且在這些巨大恆星消亡後，有利於它們再次形成的條件也不復存在。

130多億年前的宇宙大爆炸後不久，整個宇宙中還沒有恆星，幾乎全是充斥着溫暖中性氣體的熱湯，其中絕大部分是氫和氦。在長達幾億年的時間裡，這些中性氣體開始堆積成密度越來越大的物質團。這段時期被稱爲宇宙黑暗時代。

在現代宇宙中，緻密物質會迅速坍縮形成恆星。這是因爲現代宇宙擁有早期宇宙所缺乏的重元素。重元素可以有效將能量輻射出去，使得緻密團塊迅速收縮，從而觸發聚變反應，將較輕元素融合成較重元素，這也是恆星的能量來源。

但宇宙中生成重元素的唯一方法也是通過同樣的聚變過程。一代又一代的恆星形成、聚合又消亡，使宇宙物質逐步豐富到現在的狀態。

由於氫和氦等元素不具備快速釋放熱量的能力，第一代恆星必須在完全不同、非常困難的條件下形成。

爲了揭開第一代恆星如何形成的謎題，天體物理學家轉而用計算機模擬宇宙黑暗時代的演進過程，目的是瞭解當時發生了什麼。一些早期開展的模擬工作預測，第一批恆星質量可能是太陽的數百倍，而後來的模擬表明，它們應該是現在的正常恆星大小。

但最近天體物理學家通過模擬又發現，早期宇宙中形成的恆星要比現在大得多。今年1月份，他們通過發表在預印本數據庫arXiv上的一篇論文報告了自己的發現，並提交給《皇家天文學會月報》進行同行評審。

這項新研究中的計算機模擬過程包含了所有常見的宇宙學成分：幫助星系成長的暗物質、中性氣體的演化和聚集，既可以冷卻氣體、有時又能重新加熱氣體的輻射過程。但他們的研究還引入了宇宙中快速移動的冷卻物質流，這種其他研究中所欠缺的所謂“冷鋒”會猛烈撞擊已經形成的天體結構。

研究人員發現，在第一顆恆星形成之前，存在着複雜的相互作用：中性氣體開始聚集在一起；氫和氦釋放出少量的熱量，這使得中性氣體團塊的密度慢慢升高。

但高密度氣體團塊變得非常熱，產生的輻射分解了中性氣體，還阻止其分裂成許多更小的團塊。這意味着由這些氣體團塊形成的恆星可以變得非常大。

這種輻射和中性氣體之間來來回回的相互作用催生出大量中性氣體，宇宙中的第一個星系就是這樣形成的。原星系深處的氣體先是形成快速旋轉的吸積盤，也就是在大質量天體周圍形成快速流動的物質環，包括現代宇宙中的黑洞都是這樣的。

而在原星系的外緣，氣體冷鋒如雨點般落下。那些最冷的緻密物質流甚至能穿透原星系，一直延伸到吸積盤。

這些冷鋒猛烈撞擊着吸積盤，使它們的質量和密度迅速增加到臨界閾值，破壞了氣體團塊的穩定性，引發大量物質的瞬間坍塌，第一批恆星就這樣誕生了。

第一批恆星並不像現在的太陽這種典型聚變過程。它們都是巨大的中性氣體團塊，聚變核心直接就被觸發了，跳過了中性氣體團塊分裂成小塊的階段，從而使得直接坍塌形成的恆星質量非常大。

第一批恆星非常明亮，壽命極短，往往不到100萬年，然後就會發生超新星爆炸。相比之下，現代宇宙中的恆星可以存活幾十億年的時間。

第一批恆星的爆炸會將內部聚變反應的產物，也就是那些比氫和氦更重的元素拋向宇宙，然後爲下一批恆星的形成埋下種子。（辰辰）