光明网|宇宙中的那些第一代发光天体( 二 )
图3：数值模拟给出的第一代恒星超新星爆发之后的情形 。 这个超新星的前身恒星的质量为200倍太阳质量 ， 总共释放了约1052尔格的能量 。 一颗这样的超新星爆发 ， 抛出的物质传播的距离就可以达到银心到太阳距离的约四分之一（图源：Greif等人2008年的研究论文）
了解第一代恒星还有另外一种途径 ， 就是在我们的银河系内寻找古老的极端贫金属星 。 相对于第一代恒星（这样的短命的庞然大物）而言 ， 这些极端贫金属星是一些小不点 ， 但是寿命非常长 ， 可以一直存活到现在 。 它们本身不是第一代恒星 ， 但是它们大气里的金属可能来自于第一代恒星 ， 它们好比化石一样 ， 记录了早期宇宙的信息 。
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图4：詹姆斯·韦伯望远镜（JWST）的探测范围可以达到红移约20 ， 有可能捕捉到第一代恒星的信息（图源：NASA）
第一代恒星形成之后 ， 会产生一些对后续新恒星的形成不利的因素 ， 这称为“反馈”效应 。 比如它们产生的辐射可以破坏掉能冷却气体的氢分子 ， 电离和加热附近的气体 ， 它们的超新星爆发可以把气体吹到暗物质晕的外面 。 这些都不利于后来的恒星继续形成 ， 因此初期的第一代恒星形成模式几乎是“一锤子买卖” 。
当一颗或者一批第一代恒星形成之后 ， 除非在它们死亡之后再经历足够长的时间 ， 否则在同一个或者附近的暗物质晕里 ， 很难再有新的恒星形成 。 我们一般认为第一代恒星的形成是“self-limited”模式 ， 即在有限的体积内 ， 第一代恒星的数量会有一个上限 。 当然 ， 这个上限到底是多少 ， 我们目前还不清楚 ， 只能期待未来的观测能够回答 。
在宇宙演化中 ， 第一代恒星起到了一个很重要的作用 ， 就是它的超新星爆发提供了最早的金属元素 ， 含有金属的气体能够更有效地冷却 ， 从而形成下一代的恒星 。
第一代星系
随着宇宙继续演化 ， 当暗物质晕的质量再大一些的时候 ， 一种新的、效率更高的冷却机制开始发挥作用 ， 同时暗物质晕内的气体也更多 。 于是 ， 恒星就可以批量形成了 。
更重要的是 ， 由于暗物质晕更大 ， 引力势阱更深 ， 反馈效应并不能完全抑制住恒星的形成 ， 而是努力寻求跟恒星形成的过程达成平衡的状态 。 这样 ， 在暗物质晕里面 ， 恒星的形成不再是“一锤子买卖” ， 而是一个持续的过程 。 这是第一代星系形成的一个标志 。
恒星持续形成的结果就是 ， 星系里面的恒星既有年轻的、也有年老的 ， 如同我们的银河系那样 ， 最老的恒星有一百多亿岁 ， 而最年轻的才刚刚形成 。
第一代黑洞
人们现在已经观测到了许许多多不同种类的黑洞 ， 比如银河系里有很多恒星级黑洞 ， 某些矮星系中心可能存在中等质量的黑洞 ， 以及活动星系核中心的超大质量黑洞等等 。 那么 ， 宇宙中的第一代黑洞是什么呢？
一般来说 ， 黑洞的形成需要恒星的形成作为前置条件（这里不考虑暴胀产生的原初黑洞） 。 恒星耗尽燃料之后 ， 其中心部分缺少压强支撑 ， 在引力作用下坍缩成黑洞 ， 这是人们最熟悉的黑洞形成图景 。 因此第一代恒星死亡之后形成的黑洞自然就是第一代黑洞 。
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图5：黑洞是一种依然神秘的天体 。 星系中心的超大质量黑洞有的很安静 ， 几乎不发出任何辐射 ， 有的则非常活跃 ， 不断吞噬周围的物质 ， 发出剧烈的辐射 。 目前人们依然没有弄清超大质量黑洞的起源（图源：NASA/JPL-Caltech）
这些黑洞的质量跟恒星差不多 ， 它们像种子一样 ， 一旦遇到合适的条件 ， 即充足的气体供应 ， 就会长大 ， 最终从几十倍太阳质量的恒星级黑洞成长为十亿甚至百亿倍太阳质量的超大质量黑洞 。 当然 ， 这个过程可能会十分漫长 ， 并且可能被打断 。 详细的研究表明 ， 恒星级黑洞很难顺利成长为超大质量黑洞 ， 因此 ， 人们并不确定超大质量黑洞的种子是否来自于第一代恒星 。
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