宇宙第一代恆星不見得是巨獸

天文學家通過電腦模擬宇宙誕生之初的狀況,結果發現宇宙最早誕生的第一代,不見得都如先前所想的,是質量很大的高質量恆星。

到目前為止,一般認為第一代恆星應該是宇宙從誕生至今,所有恆星中最大的,有些甚至可高達數百倍太陽質量。美國航太總署(NASA)噴射推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)天文學家Takashi Hosokawa等人,利用電腦程式模擬宇宙初期的狀況,在耗費數星期的演算之後,結果卻出人意料之外:那些宇宙最初誕生的第一代恆星,在完全成熟後,質量仍比先前理論預測的還小很多,只有數十倍太陽質量左右。

天文學家現在已知所有恆星都是由收縮的氣體雲所形成,一旦雲氣中出現任何「種子」,就可經由重力吸引愈來愈多的物質加入它,最後就形成了恆星。對那些像我們太陽一樣的「正常恆星(normal star)」,在收縮的雲氣中若有加入像碳這樣稍重一點的元素,可協助降溫,促使氣體持續向內落入還在成長中的恆星,不致於因過熱使氣體膨脹而中斷恆星成長。而這些重元素都必須經過恆星演化才能產生。

在大霹靂數百萬年後,第一代恆星開始出現。然而,宇宙誕生之初應該除了氫和氦原子氣體外,別無他物,任何可幫助雲氣冷卻的重元素都還沒製造出來。所以天文學家認為必須累積更多的質量才能形成恆星,以補償缺乏重元素的缺憾。起初,科學家認為這些第一代恆星可能高達1000倍太陽質量;後來,隨理論模型的發展,第一代恆星的質量逐漸項下修正到數百倍太陽質量;現在,Hosokawa等人甚至將此質量下修至數十倍太陽質量。

Hosokawa等人的模擬顯示:正在形成的恆星附近的物質會被加熱到極高的溫度,可能高達絕對溫度50,000K左右,大約是我們太陽表面溫度的8.5倍;這個溫度比先前其他理論所述還高。比這個溫度還高的氣體會膨脹並逃離原恆星的重力,所以恆星成長中斷的時間,將比先前理論所認為的還要早,所以質量才沒先前認為的那麼高。

這項模擬結果不僅打破了現行關於第一代恆星的形成與演化理論,同時也解開了一個懸疑甚久的謎題:為何像巨獸一樣的超高質量第一代恆星演化到末期發生超新星爆炸時,並沒有留下任何特別的元素印記?從Hosokawa等人的研究,天文學家終於知道了:原因很簡單,不是天文學家功力不好、找不到這些特殊印記,而是根本不存在這些特殊印記。

更詳細的研究內容與模擬的動態影片,可參考http://www-tap.scphys.kyoto-u.ac.jp/~hosokawa/firststarstop_e.html

資料來源:New Study Shows Very First Stars Not Monstrous[2011.11.10]

轉載自台北天文館之網路天文館網站


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