以馬克斯·普朗克天文學(xué)研究所愛(ài)德華多·巴納多斯為首的天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)氣體云，其中包含了星系和恒星形成早期階段的信息，距離宇宙大爆炸僅有8.5億年（138.2億年前宇宙大爆炸誕生）。這片云是在對(duì)一個(gè)遙遠(yuǎn)類星體的觀測(cè)中偶然發(fā)現(xiàn)的，它具有天文學(xué)家從現(xiàn)代矮星系觀測(cè)中所期望的特性。當(dāng)談到相對(duì)豐度時(shí)，氣體云的化學(xué)成分令人驚訝地現(xiàn)代，這表明宇宙中的第一顆恒星一定是在宇宙大爆炸之后非常迅速地形成，其研究結(jié)果發(fā)表在《天體物理學(xué)》上。

當(dāng)天文學(xué)家觀察遙遠(yuǎn)的天體時(shí)，相當(dāng)于會(huì)回顧過(guò)去，氣體云的光是如此遙遠(yuǎn)，以至于它的光花了近130億年才到達(dá)我們地球；相反，現(xiàn)在到達(dá)的光告訴我們氣體云在大約130億年前是什么樣子，也就是宇宙大爆炸后不超過(guò)8.5億年。對(duì)于天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)非常有趣的時(shí)代。在宇宙大爆炸后的最初數(shù)億年內(nèi)，第一批恒星和星系形成，但這種復(fù)雜演化的細(xì)節(jié)在很大程度上仍然是未知的。這個(gè)非常遙遠(yuǎn)的氣體云是一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)在卡內(nèi)基科學(xué)研究所工作的巴納多斯和同事們正在跟蹤幾個(gè)類星體。

這是由Chiara Mazzucchelli準(zhǔn)備的，作為馬克斯·普朗克天文學(xué)研究所博士研究的一部分，對(duì)已知15個(gè)最遙遠(yuǎn)的類星體(z36.5)進(jìn)行了研究。起初，研究人員只是注意到類星體P183+05有一個(gè)相當(dāng)不尋常的光譜。但是，當(dāng)巴納多斯分析了更詳細(xì)的光譜時(shí)，意識(shí)到還有其他事情在發(fā)生：奇怪的光譜特征是距離遙遠(yuǎn)類星體非常近的氣體云痕跡，這是天文學(xué)家迄今還能識(shí)別出最遙遠(yuǎn)的氣體云之一，這也是智利拉斯坎帕納斯天文臺(tái)麥哲倫望遠(yuǎn)鏡獲得的更詳細(xì)光譜。

被遙遠(yuǎn)的類星體照亮

類星體是遙遠(yuǎn)星系中極其明亮的活躍核，類星體發(fā)光背后的驅(qū)動(dòng)力是星系中心的超大質(zhì)量黑洞。在黑洞周圍旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)(在落入黑洞之前)加熱到幾十萬(wàn)度，釋放出巨大的輻射。這使得天文學(xué)家可以使用類星體作為背景源來(lái)檢測(cè)氫和吸收中的其他化學(xué)元素：如果氣體云直接位于觀察者和遙遠(yuǎn)的類星體之間，則類星體的一些光將被吸收。天文學(xué)家可以通過(guò)研究類星體的光譜來(lái)探測(cè)這種吸收，也就是類星體的光在不同波長(zhǎng)。吸收模式包含關(guān)于氣體云的化學(xué)成分，溫度，密度，甚至與我們(和類星體)的距離信息。

這背后的事實(shí)是，每個(gè)化學(xué)元素都有一個(gè)光譜線“指紋”，即該元素的原子可以特別好地發(fā)射或吸收光的窄波長(zhǎng)區(qū)域，特征指紋的存在揭示了特定化學(xué)元素的存在和豐富程度。從氣體云的光譜，研究人員可以立即知道氣體云的距離，以及正在回顧最初十億年的宇宙歷史。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了一些化學(xué)元素的痕跡，包括碳，氧，鐵和鎂。然而，這些元素的量很小，大約是我們太陽(yáng)大氣中豐度的1/800。天文學(xué)家將所有比氦重的元素統(tǒng)稱為“金屬”，這種測(cè)量使氣體云成為宇宙中已知的最貧金屬(也是最遙遠(yuǎn)的)系統(tǒng)之一。

這項(xiàng)新研究的合著者，卡內(nèi)基科學(xué)研究所的Michael Rauch說(shuō)：在確信宇宙大爆炸后僅8.5億年觀察到如此原始的氣體之后，我們開(kāi)始懷疑這個(gè)系統(tǒng)是否仍能保留第一代恒星產(chǎn)生的化學(xué)信號(hào)。找到這些第一代恒星，是重建宇宙歷史的最重要目標(biāo)之一。在后來(lái)的宇宙中，比氫重的化學(xué)元素在讓氣云坍塌形成恒星方面起著重要作用。但是那些化學(xué)元素，特別是碳，本身就是在恒星中產(chǎn)生，并在超新星爆炸中被拋向太空。對(duì)于第一批恒星來(lái)說(shuō)，那些化學(xué)“促進(jìn)劑”根本不會(huì)在那里，因?yàn)樵诖蟊A段之后，只有氫和氦原子。

這就是第一批恒星與所有后面誕生恒星根本不同的原因。分析表明，星云的化學(xué)組成在化學(xué)上并不原始，相反，相對(duì)豐度與今天在星系間氣體云中觀察到的化學(xué)豐度驚人地相似。重元素豐度的比率與現(xiàn)代宇宙中的比率非常接近，宇宙早期的這種氣體云已經(jīng)包含了具有現(xiàn)代相對(duì)化學(xué)豐度的金屬，這一事實(shí)對(duì)第一代恒星的形成構(gòu)成了關(guān)鍵挑戰(zhàn)這項(xiàng)研究表明，這個(gè)系統(tǒng)中第一批恒星的形成肯定早得多：預(yù)期第一批恒星產(chǎn)生的化學(xué)產(chǎn)量，已經(jīng)被至少另一代恒星的爆炸抹去了。

一個(gè)特殊的時(shí)間限制來(lái)自Ia型超新星，爆炸需要產(chǎn)生具有觀察到的相對(duì)豐度金屬，這樣的超新星通常需要10億年左右時(shí)間才能發(fā)生，這對(duì)第一批恒星如何形成的任何情況都造成了嚴(yán)重限制?，F(xiàn)在天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這種非常早期的氣體云，他們正在系統(tǒng)地尋找更多例子。愛(ài)德華多·巴納多斯說(shuō)：在宇宙歷史這么早就可以測(cè)量金屬豐度和化學(xué)豐度，這是令人興奮的，但如果想要確定第一批恒星的特征，甚至需要探索更早地宇宙歷史。研究人員樂(lè)觀地認(rèn)為，將會(huì)發(fā)現(xiàn)更遙遠(yuǎn)的氣體云，這可能有助于我們理解第一批恒星是如何誕生的！