光明网|宇宙中的那些第一代发光天体
北京联盟_本文原题：宇宙中的那些第一代发光天体
现在 ， 大家已经基本接受了这样的观念：
宇宙并不是从来都是这个样子的 ， 而是一直在演化 ， 其中的天体也不是与生俱来的 ， 而是经历了从无到有 ， 从少到多的过程 。
那么 ， 现在宇宙中那些我们熟知的发光天体：恒星、星系、黑洞等等 ， 它们最早是怎么来的呢？我们的银河系非常古老 ， 其中最老的恒星有一百多亿岁 。 宇宙中最早的发光天体必然形成于更早的时期 ， 那时的宇宙还是一个小孩儿 。
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图1：宇宙的演化历史 。 宇宙的年龄约137亿年 ， 第一代发光天体大概形成于宇宙年龄在几千万年到几亿年之间 ， 在这之前宇宙经历了一段所谓“黑暗时期”（图源：NASA）
第一代恒星
现在宇宙中的恒星基本都在星系里 ， 虽然星系之外也有一些“流浪”的恒星 ， 但是它们原本也是在星系之内的 ， 只不过在发生星系互相碰撞的时候 ， 被撞的抛了出来 。 但第一代恒星并非如此 ， 它们不是在星系里形成的 。 或者说 ， 那些宇宙中最早的一批恒星 ， 当它们形成的时候 ， 星系还没有形成 。
第一代恒星形成的时候 ， 宇宙还非常年轻 ， 暗物质在密度高的地方结团 ， 形成暗物质晕 ， 气体也随之聚集在一起 。 这时候 ， 这些气体的元素只有氢、氦和少量的锂 ， 其它的元素还没有形成 ， 可供气体冷却的途径相对较少 ， 主要通过氢分子冷却 。 氢分子的冷却效率不算高 ， 不能把气体冷却到很低的温度 ， 在收缩的过程中气体也不容易碎裂 。
最终的结果是一个暗物质晕内只能形成一个或者若干个恒星 。 显然 ， 这样的“恒星集团”被称为星系是不合适的 ， 作为比较 ， 大家可以参考我们所居住的银河系 ， 银河系里有着约1000亿颗恒星！
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图2：左图 ， 第一代恒星的艺术想象图；右图 ， 银河系的艺术想象图 。 早期宇宙中 ， 一个小质量的暗物质晕里往往只能形成一个或几个恒星 ， 而现在的宇宙里 ， 单单我们银河系中就有多达1000亿颗恒星（图源：左图https://kipac.stanford.edu/media/first-starlight ， 右图NASA/JPL-Caltech）
虽然形成的第一代恒星数量较少 ， 但是就单个恒星而言 ， 质量却比我们银河系里最常见的恒星要大得多 ， 可以达到太阳的几十倍甚至几百倍 ， 也有人认为可以达到上千倍 。 第一代恒星的表面温度也更高 ， 能到十万开以上（太阳的表面温度只有约6000开） ， 因此发出的光也更“硬”（高能部分占比大） 。 同时 ， 它们的大气中也不含金属谱线 。 当然 ， 它们寿命也比较短 ， 只有几百万年 。
以上这些独有的特征 ， 使得第一代恒星在观测中很容易被区分出来 。 遗憾的是第一代恒星形成在宇宙很早的时候 ， 大致在宇宙年龄为几千万年到几亿年之间 。 因此它们离我们十分遥远且十分黯淡 。
例如 ， 一颗100倍太阳质量的第一代恒星 ， 如果形成在宇宙年龄为3亿年的时候 ， 它现在离我们约300多亿光年（没错 ， 这个数比宇宙年龄乘以光速大 ， 这是宇宙膨胀造成的效应） ， 此时它的亮度只有约40等 ， 比哈勃望远镜能够看到的最暗的星星还要暗一万倍 ， 很显然没法被现在的望远镜观测到 。
不过 ， 第一代恒星爆发产生的超新星会非常亮 ， 有可能被下一代的望远镜捕捉到 。 即将发射的 ， 作为哈勃望远镜的继承者的詹姆斯·韦伯望远镜(JWST) ， 其科学目标之一就是捕捉来自第一代恒星的超新星爆发 。
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