現(xiàn)在，大家基本都接受了這個(gè)觀念：

宇宙并不總是這樣，而是一直在演化。里面的天體并不是誕生的，而是經(jīng)歷了從無(wú)到有、從少到多的過(guò)程。

那么，我們今天在宇宙中所熟悉的發(fā)光物體：恒星、星系、黑洞等，最初是從哪里來(lái)的呢？我們的銀河系非常古老，其中最古老的恒星已有超過(guò)100 億年的歷史。宇宙中最早的發(fā)光物體一定是在更早的時(shí)期形成的，當(dāng)時(shí)宇宙還是個(gè)孩子。

圖1：宇宙的演化歷史。宇宙大約有137億年的歷史。第一代發(fā)光物體可能是在宇宙幾千萬(wàn)年到幾億年之間形成的。在此之前，宇宙經(jīng)歷了所謂的“黑暗時(shí)期”（來(lái)源：NASA）

第一代明星

現(xiàn)在宇宙中的大多數(shù)恒星都在星系中。雖然星系外也有一些“流浪”的恒星，但它們?cè)驹谛窍祪?nèi)部，只是在星系相互碰撞時(shí)被拋出去。但第一代明星的情況并非如此。它們不是在星系中形成的。換句話說(shuō)，當(dāng)宇宙中最早的恒星形成時(shí)，星系還沒(méi)有形成。

當(dāng)?shù)谝淮阈切纬蓵r(shí)，宇宙還非常年輕。暗物質(zhì)在高密度的地方聚集形成暗物質(zhì)暈，氣體也聚集在一起。此時(shí)，這些氣體的元素只有氫、氦和少量的鋰。其他元素尚未形成。氣體冷卻的方式相對(duì)較少，主要是通過(guò)氫分子。氫分子的冷卻效率不高。它不能將氣體冷卻到很低的溫度，并且氣體在收縮過(guò)程中不易碎裂。

最終結(jié)果是暗物質(zhì)暈中只能形成一顆或幾顆恒星。顯然，將這樣的“星團(tuán)”稱為星系是不恰當(dāng)?shù)?。作為比較，你可以參考我們生活的銀河系，它大約有1000億顆恒星！

圖2：左，第一代明星的藝術(shù)想象；對(duì)了，對(duì)銀河系的藝術(shù)想象。在早期宇宙中，小質(zhì)量暗物質(zhì)暈中通常只能形成一顆或幾顆恒星。然而，在當(dāng)前的宇宙中，僅我們銀河系就有多達(dá)1000億顆恒星（來(lái)源：左圖https://kipac.stanford.edu /media/first-starlight，右圖為NASA/JPL-Caltech）

雖然形成的第一代恒星數(shù)量很少，但單個(gè)恒星的質(zhì)量卻比我們銀河系中最常見(jiàn)的恒星大得多，可以達(dá)到太陽(yáng)的幾十甚至幾百倍。有人認(rèn)為可以達(dá)到幾千次。第一代恒星的表面溫度也更高，達(dá)到100,000 K以上（太陽(yáng)表面溫度只有6,000 K左右），因此發(fā)出的光也“更硬”（高能部分占了比例較大）。同時(shí)，它們的大氣層不包含金屬譜線。當(dāng)然，它們的壽命也比較短，只有幾百萬(wàn)年。

這些獨(dú)特的特征使得第一代恒星在觀測(cè)中很容易區(qū)分。不幸的是，第一代恒星在宇宙中很早就形成，年齡大約在數(shù)千萬(wàn)到數(shù)億年之間。因此它們離我們很遠(yuǎn)而且很暗淡。

例如，如果一顆質(zhì)量為太陽(yáng)100倍的第一代恒星在宇宙3億歲的時(shí)候形成，那么它現(xiàn)在距離我們大約300億光年（是的，這個(gè)數(shù)字大于宇宙的年齡乘以光速。這是由宇宙膨脹引起的效應(yīng)）。此時(shí)，它的亮度只有40等左右，比哈勃望遠(yuǎn)鏡能看到的最暗恒星要暗一萬(wàn)倍。以目前的望遠(yuǎn)鏡顯然是不可能觀測(cè)到的。

然而，第一代恒星爆炸產(chǎn)生的超新星將非常明亮，可能會(huì)被下一代望遠(yuǎn)鏡捕捉到。即將作為哈勃望遠(yuǎn)鏡的后繼者發(fā)射的詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡（JWST）的科學(xué)目標(biāo)之一是捕捉第一代恒星的超新星爆炸。

圖3：數(shù)值模擬顯示了第一代恒星超新星爆炸后的情況。這顆超新星的前身恒星質(zhì)量為200 個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，總共釋放出約1052 爾格的能量。當(dāng)這樣的超新星爆炸時(shí)，物質(zhì)拋出的距離可以達(dá)到銀河系中心到太陽(yáng)距離的四分之一左右（來(lái)源：Greif等人2008年的研究論文）

了解第一代恒星的另一種方法是在我們的銀河系中尋找古老的、金屬極其貧乏的恒星。與第一代恒星（如此短命的龐然大物）相比，這些極度貧乏金屬的恒星雖然很小，但它們的壽命卻很長(zhǎng)，可以存活到現(xiàn)在。它們本身并不是第一代恒星，但其大氣層中的金屬可能來(lái)自第一代恒星。它們就像化石一樣，記錄著早期宇宙的信息。

圖4：詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡（JWST）的探測(cè)范圍可以達(dá)到紅移20左右，有可能捕捉到第一代恒星的信息（來(lái)源：NASA）

第一代恒星形成后，會(huì)存在一些不利于后續(xù)新恒星形成的因素。這稱為“反饋”效應(yīng)。例如，它們產(chǎn)生的輻射可以破壞氫分子，從而冷卻氣體，電離并加熱附近的氣體，它們的超新星爆炸可以將氣體從暗物質(zhì)暈中吹出。這些都不利于后續(xù)恒星的繼續(xù)形成，所以最初的第一代恒星形成模型幾乎是“一錘子買賣”。

當(dāng)一顆第一代恒星或一組第一代恒星形成時(shí)，新恒星很難在同一個(gè)或附近的暗物質(zhì)暈中形成，除非它們死亡后經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間。我們一般認(rèn)為，第一代恒星的形成是一種“自限”模式，即在有限的體積內(nèi)，第一代恒星的數(shù)量存在上限。當(dāng)然，我們目前還不知道這個(gè)上限是多少，只能期待未來(lái)的觀察來(lái)回答。

在宇宙的演化過(guò)程中，第一代恒星發(fā)揮了非常重要的作用，那就是它們的超新星爆炸提供了最早的金屬元素。含有金屬的氣體可以更有效地冷卻，從而形成下一代恒星。

第一代銀河系

隨著宇宙的不斷演化，當(dāng)暗物質(zhì)暈變得更大并含有更多氣體時(shí)，一種新的、更有效的冷卻機(jī)制開(kāi)始發(fā)揮作用。結(jié)果，恒星可以批量形成。

更重要的是，由于暗物質(zhì)暈較大，引力勢(shì)阱較深，反饋效應(yīng)不能完全抑制恒星的形成，而是力求與恒星形成過(guò)程達(dá)到平衡狀態(tài)。這樣，在暗物質(zhì)暈中，恒星的形成不再是“一次性交易”，而是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程。這是第一代星系形成的標(biāo)志。

恒星不斷形成的結(jié)果是，銀河系中既有年輕的恒星，也有老年的恒星。就像我們的銀河系一樣，最古老的恒星已經(jīng)超過(guò)100億歲，而最年輕的恒星才剛剛形成。

第一代黑洞

人們現(xiàn)在已經(jīng)觀測(cè)到了許多不同類型的黑洞，比如銀河系中的許多恒星黑洞、一些矮星系中心可能存在的中等質(zhì)量黑洞、活動(dòng)星系核中心的超大質(zhì)量黑洞等。那么，宇宙中的第一代黑洞是什么？

一般來(lái)說(shuō)，黑洞的形成需要恒星的形成為前提（這里不考慮暴脹產(chǎn)生的原始黑洞）。恒星耗盡燃料后，其中心部分缺乏壓力支撐，在重力的影響下塌陷成黑洞。這是最熟悉的黑洞形成圖片。因此，第一代恒星死亡后形成的黑洞自然就是第一代黑洞。

圖5：黑洞仍然是神秘的物體。星系中心的一些超大質(zhì)量黑洞非常安靜，幾乎不發(fā)射任何輻射，而另一些則非?；钴S，不斷吞噬周圍的物質(zhì)并發(fā)射劇烈的輻射。目前，人們?nèi)晕戳私獬筚|(zhì)量黑洞的起源（來(lái)源：NASA/JPL-Caltech）

這些黑洞的質(zhì)量與恒星的質(zhì)量大致相同。就像種子一樣，一旦遇到合適的條件，即充足的氣體供應(yīng)，它們就會(huì)生長(zhǎng)，最終從幾十倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞成長(zhǎng)到數(shù)十億甚至數(shù)百億。質(zhì)量是太陽(yáng)兩倍的超大質(zhì)量黑洞。當(dāng)然，這個(gè)過(guò)程可能會(huì)很漫長(zhǎng)并且可能會(huì)被中斷。詳細(xì)研究表明，恒星黑洞很難成功成長(zhǎng)為超大質(zhì)量黑洞。因此，人們不確定超大質(zhì)量黑洞的種子是否來(lái)自第一代恒星。

除了上述方法外，還有另一種方法可以形成第一代黑洞。在從未經(jīng)歷過(guò)恒星形成且質(zhì)量相對(duì)較大的暗物質(zhì)暈中，如果其氫分子受到外部輻射的破壞，氣體將始終保持高溫而無(wú)法碎裂。在這種情況下，氣體的中心部分可以直接塌陷成黑洞，或者中心部分可以先形成超大質(zhì)量恒星，然后塌陷成黑洞。

以第二種方式形成的黑洞統(tǒng)稱為“直接塌縮黑洞”。它們的質(zhì)量可以達(dá)到剛誕生時(shí)太陽(yáng)質(zhì)量的1萬(wàn)到100萬(wàn)倍，這就是我們常說(shuō)的中等質(zhì)量黑洞。如果將這些直接塌陷的黑洞作為種子，那么成長(zhǎng)為超大質(zhì)量黑洞就會(huì)容易得多。

“直接塌縮黑洞”雖然解決了超大質(zhì)量黑洞的生長(zhǎng)問(wèn)題，但其形成條件卻十分惡劣。首先，暗物質(zhì)暈的質(zhì)量需要相對(duì)較大，但又不能太大。此外，還要求其內(nèi)部的氣體始終保持“純凈”，即不受外界金屬污染和電離輻射的影響，但同時(shí)有足夠強(qiáng)的其他輻射來(lái)破壞氫分子。這要求它附近有一個(gè)既不太近也不太遠(yuǎn)的恒星或星系。宇宙中有多少暗物質(zhì)暈?zāi)軌驖M足上述條件值得懷疑，因此直接塌陷的黑洞數(shù)量也難以估計(jì)。

這兩種形成第一代黑洞的方式中哪一種為超大質(zhì)量黑洞提供了種子，只能通過(guò)未來(lái)的觀測(cè)來(lái)回答。

圖6：形成第一代黑洞的兩種方法。頂部是第一代恒星死亡后形成的恒星級(jí)黑洞，底部是直接塌縮形成的中等質(zhì)量黑洞（來(lái)源：張萌后期處理）

到目前為止，還沒(méi)有觀察到直接塌縮的黑洞，可能是因?yàn)樗鼈兗群币?jiàn)又暗淡。與普通星系和類星體相比，直接塌縮黑洞的光譜有些不同。因此，可以通過(guò)光度觀察進(jìn)行初步的候選篩選，然后進(jìn)行詳細(xì)的光譜觀察來(lái)識(shí)別它們。

目前，利用哈勃望遠(yuǎn)鏡和錢德拉望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)家們已經(jīng)選擇了一些可能是直接塌陷黑洞的天體作為未來(lái)用更強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)一步觀測(cè)的候選天體。當(dāng)然，也有一些曾經(jīng)被認(rèn)為是直接塌縮黑洞的候選者，但經(jīng)過(guò)進(jìn)一步觀察已被排除。未來(lái)，JWST望遠(yuǎn)鏡可能會(huì)將篩選黑洞直接坍縮的候選者作為其科學(xué)目標(biāo)之一。

此外，黑洞的直接塌縮也可能形成雙黑洞。這種雙黑洞相互繞轉(zhuǎn)并產(chǎn)生頻率較低的引力波。它們還可以作為新一代空間引力波實(shí)驗(yàn)的探測(cè)目標(biāo)，例如我國(guó)的“太極”計(jì)劃和“太極”計(jì)劃。天勤”計(jì)劃。

關(guān)于作者

岳斌，國(guó)家天文臺(tái)研究員，主要從事再電離和第一代發(fā)光體相關(guān)研究。

張萌是國(guó)家天文臺(tái)的博士生。他的主要研究方向是直接塌縮黑洞的形成。

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主編：石碩

輪值編輯：郭琪

編輯：萬(wàn)浩一、袁鳳芳

編輯：趙宇豪、齊齊

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來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院高能研究所