近日，中國科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院副教授王鑫團隊基于詹姆斯韋伯空間望遠鏡(JWST)近紅外光譜儀采集的數(shù)據(jù)，針對一個132億年前的高紅移(z=8.16)星系的星族與星際介質(zhì)的物理性質(zhì)進行了精確刻畫，發(fā)現(xiàn)其中有可能存在第一代恒星(Population III stars)。該工作以快報形式發(fā)表于The Astrophysical Journal Letters，被美國天文學(xué)會Nova科技媒體專題報道。

　　第一代恒星主導(dǎo)了宇宙中首批金屬元素的產(chǎn)生，并對宇宙再電離過程——這一整個宇宙作為整體進行的最后一次相變——提供了主要的能量來源。

　　與現(xiàn)在的宇宙狀態(tài)截然不同，再電離時期的宇宙由于星系際介質(zhì)充斥著中性氫原子氣體，吸收了所有紫外光子，使宇宙變得不透明。當(dāng)?shù)谝淮阈情W閃發(fā)光并聚集成第一代星系時，它們開始侵蝕不透明的宇宙，切割出越來越大的電離氣體氣泡，逐漸使整個宇宙透明起來。

　　天文學(xué)家對第一代恒星(又稱星族三恒星)的性質(zhì)非常感興趣，但要找到它們卻談何容易。僅由星族三恒星組成的星系可能會被中性氣體云包裹并遮擋，從而無法被發(fā)現(xiàn)，而星族三恒星與后代恒星族群混合在一起的星系可能更容易被發(fā)現(xiàn)。

JWST拍攝的星系RX J2129-z8He II的圖像。該星系受到前景星系團RX J2129的引力透鏡放大作用

　　最近，由王鑫領(lǐng)導(dǎo)的研究小組可能發(fā)現(xiàn)了這樣一個星系。利用JWST的圖像，王鑫及其合作者發(fā)現(xiàn)了被命名為RX J2129-z8He II的星系，即使在全世界最強大的JWST紅外望遠鏡眼中，它也只是一個幾乎無法辨認的紅色斑點。JWST對這個星系的光譜顯示，它的紅移為z=8.1623，距離宇宙大爆炸只有6.13億年。RX J2129-z8He II的紫外光譜斜率非常陡峭，比任何其他已被證認的紅移大于7的星系都要藍，而且有幾條突出的發(fā)射線，包括一條來自兩次電離氦原子的復(fù)合發(fā)射線He II 1640。

　　這些因素表明，該星系含有一個強大的紫外輻射源。在仔細排查了所有可能的產(chǎn)生如此明亮的He II 1640發(fā)射線以及帶來如此極端的發(fā)射線流量比的原因后，王鑫研究小組認為，大質(zhì)量星族三恒星最有可能是這些電離紫外線光子的來源。

RX J2129-z8He II的JWST光譜。插圖顯示He II 1640譜線

　　為了驗證這一理論，王鑫研究小組使用精細的光致電離模型模擬了這個星系的特性，得到的結(jié)論支持了該星系包含星族三恒星和后代恒星。他們發(fā)現(xiàn)，總質(zhì)量為78萬太陽質(zhì)量的星族三恒星的集合可以再現(xiàn)星系光譜中的觀測發(fā)射線。

　　至于這個星系是如何容星族三恒星和后代恒星族群的，王鑫研究小組認為，原初氣體或極低金屬豐度氣體被星系主體吸積，在吸積掉落的過程中坍縮形成了星族三恒星。這與近期發(fā)表的宇宙學(xué)數(shù)值模擬所展示的星族三恒星的一種可行的形成機制不謀而合。

　　這項研究標志著在尋找第一代恒星方面取得了可喜進展。除了確定RX J2129-z8He II可能是第一代恒星的家園之外，王鑫研究小組還對這些恒星的光譜特征有了更好的了解，這可以用來確定可能孕育它們的其他星系。

　　此工作受到國家自然科學(xué)基金委面上項目(編號12373009)、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊項目(YSBR-062)、高水平科技人才培育與穩(wěn)定支持專項、小米青年學(xué)者和中國載人航天工程科研項目的資助。

王鑫