第三代恒星：宇宙的第一代
Linas Juozėnas分享
知识方舟 · 宇宙 · 第02章 / 第02篇文章
第三星族恒星 宇宙的第一代
第一批恒星诞生于原始气体，为年轻的宇宙带来了新的光、新的元素和新的可能性。
当气体没有恒星形成的历史时，会发生什么？
我们熟悉的每一颗恒星，都是在一个已经被其他恒星改变过的宇宙中形成的。第一代恒星的起点则拥有简单得多的化学成分。
它的云团主要由氢和氦构成，还含有早期宇宙遗留下来的微量轻元素。它们的诞生气体没有得到前代恒星提供的碳、氧、硅或铁。这个差异改变了气体冷却的方式、恒星聚集质量的过程，以及它们的光能够产生的作用。
这些就是第三星族恒星。理解它们，有助于把第一批恒星形成云与后来星系、岩质行星和矿物的化学丰富性联系起来。[1]
第三星族意味着什么？
在天文学中，金属指比氦重的元素。恒星的金属丰度描述了这些元素的含量。
第三星族恒星形成于没有经过前代恒星富集的气体。它们通常被称为“无金属”恒星，尽管原始气体中含有微量锂。这个术语是对其本质上原始起始成分的约定俗成的简称。
这是根据诞生物质作出的定义。它并不要求所有第三星族恒星都在同一时刻形成，也不要求每个区域都同时停止形成这类恒星。[1]
第三星族
由本质上原始的气体形成的恒星，诞生于前代恒星完成富集之前。
第二星族
通常是古老且贫金属的恒星，其诞生物质在形成前已经得到富集。
第一星族
更多富含金属的恒星，包括太阳，形成于经过化学富集的气体。
原始气体是如何形成恒星的？
人们普遍认为，第一批恒星出现在大爆炸后的最初几亿年内。它们的出现标志着宇宙黎明，使无恒星的黑暗时代走向终结。
早期形成地点包括总质量约为 100,000 到一百万个太阳质量的暗物质小型晕，具体取决于条件。其中大部分质量是暗物质，而不是一颗未来的恒星。[1], [2]
引力聚集了气体，但气体压力抵抗收缩。冷却使云团能够失去能量并变得更加致密。在典型的小型暗物质晕中，少量的分子氢 H2提供了一条重要的散热途径。[2]
没有恒星富集改变了可用的冷却通道。但这并没有阻止气体形成盘，或碎裂成更小的恒星形成结构。
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01 · 聚集
气体聚集在晕中
暗物质聚集体提供了引力势阱。流入气体的数量和运动会影响其中心可能发生的过程。
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02 · 冷却
云团失去热量
分子发射使收缩得以进行。在更高温度下，原子冷却也可能变得有效。
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03 · 成长
原恒星获得质量
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04 · 响应
星光改变了物质供应
紫外线辐射会加热气体并蒸发吸积流的部分区域。这种反馈可能减缓或停止增长。[3]
这些过程彼此重叠。最终的恒星质量取决于云团、吸积历史、原恒星之间的相互作用以及反馈。
进一步了解冷却温度
在典型的原始小型暗物质晕条件下，H2 冷却可将气体降至约 200 K。原子氢冷却在大约 10,000 K 在更热的晕中。包括 HD 在内的其他分子在某些条件下也能实现额外冷却。这些是典型状态，并非普遍适用的温度上限。[1]
它们有多大质量、多炽热，又能存活多久？
许多模型预测，早期的原始环境有利于形成质量比如今典型恒星形成区域更大的恒星。但一个恒星群偏向高质量，并不意味着其中没有较小质量的成员。其质量分布——即每种质量的恒星形成了多少——仍是一个核心不确定因素。[1]、[4]
在许多模型中，以太阳质量计
这是对大质量成员普遍预测的范围，并非观测规律，也不是所有第三族恒星的下限。
大质量恒星的光度极高，因此会迅速耗尽燃料。它们的成分也会影响内部结构和逸出的辐射。许多大质量第三星族恒星模型比质量相当的富金属恒星更热、更紧致，不过它们的性质会随着演化而变化。[5]
结局不止一种可能
大质量第三星族恒星可能以多种方式走完生命历程。出生质量很重要，但核心结构、旋转、失质量以及与伴星的相互作用同样重要。这些是可能的演化路径，而不是边界固定的通用图表。[6], [7]
核心坍缩超新星
当核心再也无法支撑自身时，它会发生坍缩。如果爆炸成功抛出外层物质，新形成的元素就能逸散到周围环境中。
脉动对不稳定性
在某些大质量核心中，电子–正电子对的产生会使恒星失稳，并可能触发脉冲，抛出壳层。恒星会在一段时间内经历这些脉冲并存活下来，之后继续演化。
对不稳定性超新星
在质量足够大且温度足够高的核心中，成对产生会削弱压力响应。收缩会触发爆发性燃烧，释放出足够的能量，将整颗恒星撕裂。
坍缩成黑洞
一些恒星可能发生弱爆炸坍缩，或未能成功爆炸。它们的大部分物质会落入黑洞，而不是富集周围的气体。
那么，人们熟悉的140–260个太阳质量范围呢？
经典的非旋转模型将完全的对不稳定性破坏置于初始质量约为140–260个太阳质量的范围内，对应的氦核质量约为64–133个太阳质量。这些数值可作为有用的参考点，但出生质量与核心质量之间的对应关系会随恒星演化假设而变化。[6]、[7]
这些剧烈的结局涉及大质量恒星。任何低质量成员的演化时间尺度都长得多，也会遵循不同的路径。因此，不能把第一代恒星都描述为短命的超新星前身。
第一代恒星如何改变了宇宙？
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它们改变了附近的气体
辐射与反馈炽热的恒星使周围环境电离并加热，形成局部的电离氢区域。它们帮助开启了更漫长的再电离过程，但与后来的恒星相比，它们的总贡献仍不确定。第一缕星光与更广泛宇宙的再电离是两个不同的里程碑。[1]、[3]
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它们扩大了化学元素库
恒星增丰喷出物质的恒星将新合成的元素散播到周围环境中。碳、氧、硅、铁和其他产物可供后来的气体云利用。它们的比例取决于前身恒星及其最终命运；如果坍缩时几乎没有物质抛出，留下的化学印记可能会弱得多。[6], [10]
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它们改变了未来的恒星形成
新的冷却通道重元素和新形成的尘埃为气体提供了额外的冷却方式，在适宜条件下促进碎裂。并不存在适用于每一片气体云的单一金属丰度阈值：元素比例、尘埃性质、气体密度和辐射都会产生影响。[8]
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一些留下了黑洞种子
通向后期增长的一种可能途径恒星遗迹黑洞可能通过吸积气体或合并而增长。它们是早期超大质量黑洞的一种可能起点，此外还存在其他种子形成途径。形成恒星遗迹并不能自动解释年轻类星星中观测到的巨大质量。[9]
更广泛的化学故事最终会追溯到岩石行星和矿物的组成成分。这需要恒星在许多环境中持续演化和循环。
天文学家如何寻找它们？
质量最大的第一代恒星早已消失，但它们发出的光仍可能正在向我们传播。在极远距离上，单颗恒星的光极其微弱，并且会与周围环境的光混合。因此，天文学家采用多种互补的方法。
早期恒星形成区域的光谱
JWST 可以在红外波段观测红移后的紫外和光学特征。强烈的氦复合发射可能指向高能电离源，而微弱的金属谱线有助于约束气体成分。
化学化石
一颗由早期爆炸富集的气体形成的长寿恒星，可能会在其元素丰度中保留有关那次事件的线索。天文学家将贫金属恒星中的模式与预测的恒星产率进行比较。
这样的恒星可能是第三星族的后代。重建其祖先历史需要考虑混合，以及其表面可能发生的后续变化。[10]
第三星族是按出生时的成分划分的类别，因此搜索不必局限于某个固定的红移范围。即使邻近区域已经富集，原始气体的孤立区域仍可能继续形成这类恒星。[1]
Hebe：GN-z11 附近一个有希望的线索
研究人员仍在努力了解什么？
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质量分布是什么样的？
原初云形成超大质量恒星、较小伴星或长寿幸存者的频率是多少？
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环境起了什么作用？
吸积、附近的辐射以及恒星群内部的相互作用如何改变最终结果？
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有多少物质逃逸了？
早期富集主要由哪些类型的爆炸主导？这些爆炸产物多快能与新鲜气体混合？
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哪些特征具有独特性？
哪些光谱、化学模式和恒星模型的组合能够可靠地确认原始恒星形成？
回答这些问题需要将观测与模拟结合起来。令人信服的解释必须同时说明遥远系统发出的光，以及后来恒星中记录的化学传承。[1], [10], [11]
第一批恒星改变了接下来可能形成的天体。
它们的辐射重塑了附近的气体。它们的演化产生了新的元素，而抛射这些元素的恒星开始富集未来的恒星孕育地。其中一些恒星留下了能够进一步增长的致密遗迹。
下一篇文章将介绍承载这些活动的环境：早期小晕与原星系，在那里气体、引力和第一代恒星开始组装年轻的星系系统。
来源及延伸阅读
- Klessen 与 Glover（2023）——第一代恒星：形成、性质与影响关于原始气体、第一代恒星形成、恒星性质和反馈的研究综述。
- Abel、Bryan 与 Norman（2002）——宇宙中第一颗恒星的形成关于原初气体在小晕内冷却与坍缩的奠基性模拟。
- Hosokawa 等（2011）——原恒星反馈阻止宇宙中第一代恒星的成长成长中恒星的紫外线辐射如何限制其气体供应。
- Stacy 与 Bromm（2014）——第一代恒星：一种低质量形成模式探索形成较小原初恒星及其幸存者这一可能途径的模拟。
- Schaerer（2002）——大质量 III族恒星和无金属恒星群的性质关于温度、寿命和电离辐射的恒星模型。
- Heger 与 Woosley（2002）——III族恒星的核合成特征成对不稳定性爆炸、坍缩和元素产额的经典模型。
- Woosley（2017）——脉动成对不稳定性超新星反复抛射质量，以及成对不稳定性的不同结果。
- Dopcke 等（2011）——尘埃冷却对低金属丰度恒星形成云的影响尘埃冷却、碎裂，以及向较低恒星质量的转变。
- Inayoshi、Visbal 与 Haiman（2020）——第一批大质量黑洞的组装恒星遗迹及其他提出的早期大质量黑洞起源。
- Karlsson、Bromm 与 Bland-Hawthorn（2013）——前星系金属富集：第一代恒星的化学特征古老恒星如何保留更早恒星富集的证据。
- Maiolino 等（2026）——寻找 III族恒星：确认 z=10.6 处一例没有金属线的 HeII 发射体JWST 对 Hebe 的观测，以及所提出的 III族恒星解释。
- Übler 等（2026）——GA-NIFS 与 JADES：确认 GN-z11 附近的原始气体同一区域的氢线确认及其化学组成上限。
本章全部文章
- 引力聚集与密度涨落
- III族恒星：宇宙的第一代恒星——您正在这里
- 早期小晕与原星系
- 超大质量黑洞种子
- 原初超新星：元素合成
- 反馈效应：辐射与星风
- 并合与层级增长
- 星系团与宇宙网
- 年轻宇宙中的活动星系核
- 观测最初的十亿年