■ 导读
质量越小，苟得越久。你可以选择作为大质量恒星辉煌灿烂地度过短暂的一生，也可以选择作为小质量恒星闷声发大财地苟到宇宙尽头。天文爱好者都听说过，宇宙的年龄大约是138亿年。那么，最早的恒星是什么时候出现的呢？2023年6月，中国科学家领衔的国际团队真的找到了一颗迄今为止最古老的恒星。更奇妙的是，这颗最古老的恒星居然离我们非常近，——就在银河系里面。
咦，这是怎么回事？平常不都说离我们越远的天体越古老吗？这里怎么反过来了？我的同事与朋友、中国科学技术大学天文学系薛永泉老师写了一篇文章（迄今为止最古老的恒星被发现！居然就在银河系里？| 薛永泉），解读了这个发现。下面，我就来基于这篇文章，向大家介绍一下。
首先，需要了解一下宇宙演化的标准理论。在大爆炸之后，一开始是没有天体的，这叫做“黑暗时代”。大约在大爆炸之后的1至2亿年里，形成了第一代恒星。形成它们的原材料是宇宙原初核合成产生的轻元素——大量的H、He与极少量的Li，这些轻元素构成了贫金属气体云团。这里有个很好玩的词，就是“金属”。请问，C、N、O是不是金属？我们平常会认为它们都是非金属，但天文学中却把它们都称为金属。实际上，天文学的定义是，只要是比H和He重的，都叫做金属！
这是因为，宇宙中大部分的物质是H，其次是He，比这俩重的几乎都是通过核聚变产生的，含量就少得多了。因此在天文学家看来，不管你是Li还是C还是O，同样都是一锅炖，你们都是少数派，都是通过一些少见的过程产生的，都叫做金属。贫金属气体云团要形成第一代恒星，就需要块头非常大，这样才能使引力克服热压力，把它们吸引到一起。因此，第一代恒星往往质量很大，有的甚至高达几百倍太阳质量。它们后代的恒星就轻得多了，最大也就到几十倍太阳质量而已。
原初气体云团形成第一代恒星的示意图（图源：美国宇航局）接下来是一个非常有趣的问题：第一代恒星有没有存活到现在的？答案是没有。这是一个鉴别天文学内行和外行的经典问题，就是恒星的寿命跟质量是什么关系？外行很可能以为，质量越大，燃料就越多，烧得就越久。但实际正相反，质量越大，寿命越短！这是因为质量越大，核聚变就越剧烈，单位时间内消耗的质量比总质量本身增长得更快，所以结果是寿命变得更短。换句话说就是，质量越小，苟得越久。你可以选择作为大质量恒星辉煌灿烂地度过短暂的一生，也可以选择作为小质量恒星闷声发大财地苟到宇宙尽头。
第一代恒星的质量非常巨大，因此它们的寿命很短，往往只有数百万年，远远短于太阳的寿命约100亿年。跟能苟上万亿年的红矮星相比，更是倏忽而逝。第一代恒星的结局，跟它的质量有关。如果它的质量小于一百个太阳质量，那么最后核聚变反应停止的时候，星体会塌缩，产生超新星爆炸，中心的恒星核可能形成黑洞。爆炸过程会把核聚变形成的重元素抛散到星际空间里，这就是星际介质中的元素增丰过程。不过到目前为止，人们还没有从观测上直接发现这类第一代恒星的存在。
第一代恒星的超新星爆炸及其元素增丰（图源：中国科学院国家天文台）
然而，有一类第一代恒星是有可能留下长寿命后代的。它们的质量高达140到260倍太阳质量，可以产生“对不稳定超新星”（pair-instability supernova）。咦，什么叫做“对不稳定”？什么东西的对？实际上，这个“对”指的是正负电子对。理论研究认为，这种超大质量第一代恒星内部的核聚变反应极其剧烈，产生的光子能量非常高，光子之间相互作用可以形成正负电子对。这会导致恒星内部的辐射压迅猛减小，使得整个星体剧烈收缩，释放出引力势能，急剧加热星体使其温度迅猛升高。这个过程可以非常剧烈，最终就会导致极其猛烈的超新星爆炸，这种类型的超新星就叫做对不稳定超新星。所以我们可以明白，这个名称的意思是，“正负电子对”导致“不稳定”的“超新星”。
第一代超大质量恒星演化成为对不稳定超新星的艺术展示图。对不稳定超新星将含有多种元素的物质抛射到星际介质中，并以此形成下一代恒星（图源：中国科学院国家天文台）（银河系考古大发现！）对不稳定超新星爆炸如此剧烈，把整个星体的物质基本都炸光了，中心就不会形成黑洞，而是会留下一颗小质量的第二代恒星。其质量可以很小，比如小于太阳质量。这就意味着它们寿命很长，甚至可以与宇宙“同寿”。
这种第二代恒星会有什么特征呢？由于形成第一代恒星的气体云团是极端贫金属的，所以对不稳定超新星爆炸形成的第二代恒星往往也是极端贫金属星。更有趣的是，它们会具有特殊的化学印迹，即所谓的“奇偶效应”——在它们这极少量的金属元素里，奇数号元素的含量会比相邻的偶数号元素明显的低。这就意味着，如果我们发现了具有奇偶效应的第二代小质量极端贫金属星，就可以通过研究它们的这个“DNA”，了解它们的父辈对不稳定超新星与第一代恒星的性质。但以前这只是个设想，由于之前已知的小质量贫金属星的样本相当有限，人们没有在其中发现具有奇偶效应的恒星。“工欲善其事，必先利其器”，研究人员找到了一个最适合做这种恒星“考古”的设备。它就是中国的大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope），英文简称LAMOST，中文名郭守敬望远镜。它的主镜口径4米，焦面上放置了4000根光纤，可以在一次观测中分别对准4000个天体，从而同时拍摄其光谱。
郭守敬望远镜的全景图（左上）、主镜（左下）与光纤定位系统（右）（图源：中国科学院国家天文台）
这里的一个核心技术是光纤定位系统。它是由我的另一位同事和朋友、中国科学技术大学精密机械与精密仪器系褚家如老师等人研制的，该技术后来被用于多个大型望远镜。郭守敬望远镜具有强大的光谱巡天能力。在它高效开展光谱巡天十多年后，它就获得并发布了超过2000万条恒星光谱，成为国际上最大的恒星光谱库。你可能想问，光谱是什么意思？其实学过原子物理的人都知道，光谱就是样品对各种波段光的选择性吸收或发射。LAMOST最擅长的就是测这个。下面的图就展示了一个典型的恒星光谱。光谱里的暗线是恒星大气吸收核区产生的辐射而形成的吸收线，每条暗线对应着一个特定元素的特定跃迁，所以我们通过恒星光谱就可以知道恒星的金属元素组成。
典型的恒星光谱（图源：中国科学院国家天文台）
基于郭守敬望远镜的海量恒星光谱数据，研究人员开展了国际上最大规模的贫金属星搜寻项目，发现了上万颗贫金属星，并对其中具有极端性质的一小批源，利用口径8.2米的昴星团望远镜进行了光谱精测，更为精确地测定出它们的元素组成，由此发现了迄今已知最为古老的恒星，它叫做LAMOST J1010+2358。下面的图显示了一个相当大的贫金属星样本里的金属丰度分布，而我们这位主角LAMOST J1010+2358在其中显得非常不合群。它的Na、Mg、Co含量都远低于已知的其他所有贫金属星，Ba元素含量也几乎是最低的。所以它可以说是贫金属星中的贫金属星，简直是一贫如洗，堪称丐帮帮主。
贫金属星的金属丰度分布（红色记号为LAMOST J1010+2358）（图源：Xing et al. 2023, Nature）
除了一贫如洗之外，LAMOST J1010+2358还有非常特殊的一个特征：它的金属丰度分布具有奇偶效应！这正是我们要寻找的关键特征。由于数据质量很好，研究人员可以通过细致的模型拟合，定出它的前身第一代恒星的质量，如下图所示的三种情况。首先假设超新星的前身星质量是10倍太阳质量，那么理论预期的元素分布跟观测到的数据完全不匹配。把前身星的质量提高到85倍太阳质量，吻合度有所提高，但差别还是很大。而如果考虑一个具有260倍太阳质量的对不稳定超新星的情形，理论预期就与观测数据完美匹配了。这样的分析表明，LAMOST J1010+2358起源于一颗260倍太阳质量的第一代恒星的对不稳定超新星！
观测到的LAMOST J1010+2358金属丰度分布与三种不同理论模型预期结果的对比（图源：Xing et al. 2023, Nature）
结合别的观测数据，我们可以进一步了解LAMOST J1010+2358的性质。和银河系里绝大多数的恒星不一样，它并不处于银河系的银盘，而是处于远离银盘的银晕。它距离我们大约3327光年，跟银河系的半径62000光年相比，可以说它离我们是相当近的，简直就在我们家门口。
它的质量只有0.5倍太阳质量，因而它的寿命很长，从诞生之日起就一直存活到现在。它的年龄应该已经达到了136到137亿年，换句话说，它在宇宙大爆炸后仅仅1到2亿年的时候就已经存在了——这个时期是第一代恒星出现的大致时间。而它的260倍太阳质量的父辈的寿命仅仅只有两三百万年，跟它自己的年龄相比可以忽略不计，因而这颗LAMOST J1010+2358成了现今已知的最古老恒星！大家或许有些疑惑，通常不是说越古老的天体离我们越远吗？这颗最古老的恒星怎么就在银河系里呢？难道我们如此幸运，银河系其实是宇宙的中心？事实上，这是对“越古老的天体离我们越远”的误解。这个说法的意思是，对于那些离我们很远的天体，我们看到的其实是它们在很早以前的样子，因为光的传播是需要时间的。比如说，100亿光年外的天体，我们现在看到的就是它们100亿年前的样子。至于它们后来如何演化，甚至当前是否依然存在，其实我们是不知道的，因为它们后来发出的光还来不及传到我们这里。
因此，古老的天体在哪里都可能存在，而LAMOST J1010+2358碰巧就在我们的后院里，这次被研究人员发现了它其实非常古老的这个秘密。不同于那些遥远的古老天体，我们看到的是它当前的样子，因为它离我们算是相当近了。而且从观测难度上看，肯定也是离得越近的越容易观测到，事实上LAMOST的观测重点就是银河系里的恒星光谱巡天。所以，最先找到一个银河系内的最古老恒星，其实是很自然的，这就好比醉汉在灯光下找钥匙，不是因为钥匙一定在这里，而是因为只有在这里能找。
《一颗丰度来自对不稳定超新星的贫金属星》
最古老恒星LAMOST J1010+2358的发现，首次给出了第一代超大质量恒星以及它的演化产物对不稳定超新星存在的观测证据，表明第一代恒星的质量确实可以高达几百倍太阳质量，远远比后代恒星质量大。这个发现也揭示出对不稳定超新星在宇宙早期的化学元素增丰过程里贡献了大量的金属元素，有助于我们理解第一代恒星的初始质量如何分布、重元素如何起源以及宇宙早期恒星形成与星系化学演化的过程等一系列重要的科学问题。