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不應存在的恆星

一組歐洲天文學家利用歐南天文台(ESO)超大望遠鏡(Very Large Telescope,VLT)在銀河系中發現一顆讓他們傷透腦筋的星星。這顆恆星幾乎完全由氫和氦所組成,只有少量的重元素(氫和氦以外的其他元素一律稱為重元素或稱金屬元素,metal)。聽起來很正常,但事實上,這類恆星通常是宇宙之初的初始恆星,在銀河系發現它,對天文學家來說相當不可思議,強烈衝擊現行恆星形成理論。相關論文發表在2011年9月1日出刊的自然(Nature)期刊中。
這顆編號SDSS J102915+172927的恆星位在獅子座方向,質量比太陽小,約0.8倍太陽質量左右,年齡可能已有130億歲了。德國海德堡大學與巴黎天文台的Elisabetta Caffau等人表示:現行恆星形成理論認為這種質量小且重金屬比例低到不行的恆星不應該存在,因為恆星從中形成的原始雲氣根本無法收縮凝聚;想形成SDSS J102915+172927這樣質量的恆星,得在重元素含量多到一定程度的雲區裡才能達成;換言之,重元素扮演了「冷媒(cooling agent)」的工作,尤其是碳和氧,協助氣體雲的熱量散發、冷卻,氣體雲才有機會向內聚縮而形成恆星。因此,首度發現這顆在現行恆星形成理論的「禁區」內的恆星,意味著現行恆星理論必定有需要修正之處。SDSS J102915+172927恆星編號表示是由史隆數位巡天計畫(Sloan Digital Sky Survey,SDSS)發現的恆星,數字部分代表這顆天體的赤經與赤緯座標。

Caffau等人分析以VLT上的X-shooter和UVES等光譜儀拍攝的資料,嘗試找出這顆恆星的性質,測量不同化學元素的豐度。結果發現SDSS J102915+172927含有的金屬比例,比太陽還低20,000倍以上。這顆星很昏暗,金屬比例又這麼低,初次觀測時,除了氫和氦之外的其他重元素,他們實際上只偵測到鈣而已。後來他們必須再申請其他ESO的望遠鏡觀測時間,試圖透過更長的曝光時間來取得更細的細節,才能一解疑惑。

宇宙論學者相信氫和氦這兩種最輕的化學元素,以及極少量的鋰,是大霹靂之後短暫時間內產生的,除此之外的其他元素幾乎都是經由恆星核心核融合反應而形成的;而超新星爆炸則負責製造鐵以上的重元素,並在爆炸過程中,將這些恆星物質拋向四周的星際介質中,增加重元素的豐度;下一代從這些星際介質中誕生的恆星所擁有的金屬豐度,自然會比老一代的恆星還多。因此,通常從恆星金屬豐度多寡,就可得知恆星到底有多老。

既然SDSS J102915+172927的金屬豐度如此之低,意味著它是宇宙非常早期的初始恆星,或許是迄今已知最老的恆星之一。然而,天文學家們也對它竟缺乏鋰元素感到苦惱。這麼老的恆星按理來說應該與宇宙誕生之初、大霹靂之後短暫時間內所製造的氫(75%)、氦(25%)和鋰(極少量)比例類似,然後再加上一點點其他的重元素;但SDSS J102915+172927的鋰豐度卻只有原本預期的50分之一以下。

而SDSS J102915+172927的碳豐度也比氣體雲要凝聚收縮所需的臨界含量還低許多,要靠碳當作冷媒使雲氣收縮也不太可能。對於大霹靂形成的鋰元素,究竟是如何在這顆恆星中被摧毀,沒碳等冷媒狀況下、雲氣又是怎麼收縮的,這些天文學家並無答案。

不過,這顆恆星可能並不孤單。Caffau指出:他們已經發現數顆類似的貧金屬恆星,而且它們的金屬豐度可能比SDSS J102915+172927更低。確認這些恆星的性質,將是他們下一階段最重要的工作。

資料來源:The Star That Should Not Exist

引用自 臺北天文館之網路天文館 網站


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