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原作：Nola Taylor Tillman

翻譯：劉明睿

校對：劉峰

編排：王璞

后臺：朱宸宇

原文鏈接：https://www.astronomy.com/science/the-first-stars-may-have-flooded-the-early-universe-with-water/

一項發表在《自然?天文學》上的研究發現，水分子可能早在宇宙形成后的2億年內就已經出現了。如果將宇宙138億年壽命折算到1年，2億年時只想當于新年的第一個星期五。這種作為生命之源的分子或許是在宇宙中最初的恒星凋零時誕生的。該研究還發現，早在最古老的星系出現之前，巖質行星便可以在這些第一代恒星留下的富水環境中形成。

超新星爆發

圖源：美國宇航局戈達德太空飛行中心

英國樸茨茅斯大學（Portsmouth University）的丹尼爾?惠倫（Daniel Whalen）是這項研究的負責人。他和同事發現，這些古老恒星中的超新星爆發產生了大量的水，而后續的恒星和行星就將在它們周圍“濕潤”的區域中形成。

第一代恒星

大爆炸后，遍布宇宙的氫和氦構成了最早的一批恒星。這些星星并不位于星系中。那時，星系這種結構甚至還未形成。由暗物質在虛空中織起的巨大網狀結構上，一根根細絲的交界處，便是這些恒星的所在。氣體被此處強大的引力所俘獲，不斷聚集，直至那些最古老的恒星由此誕生。

這些星星無比龐大，質量甚至能達到太陽的三百倍。但這些巨人的生命燦爛而短暫，極高的溫度會讓它們激烈地消耗燃料，最后在超新星爆發中壯烈隕落，并將核聚變產生的重元素播撒到遠方。

惠倫和同事們用計算機分別模擬了具有13倍和200倍太陽質量的恒星的演化，由它們形成的超新星據說普遍存在于第一代恒星中。“我們一路看著這些原始恒星形成……直至它們爆炸。”惠倫說道。

超新星中的第一類被稱作“核心坍縮超新星”（core-collapse supernova），發生在有著至少八到十倍太陽質量的恒星中。隨著這些恒星的老化，其核心中的氫元素將逐步耗盡。在那之后，一系列核聚變反應會發生在核心周圍一層層如洋蔥般的薄殼狀結構中，并一步步合成出越來越重的元素。

當最后的元素鐵被生成出來后，恒星中的核聚變已無力再提供更多的能量。這之后，一直支撐著恒星的聚變反應會逐漸落敗于重力，最終這顆恒星的核心將向內坍縮，直至變成一顆無法再被壓縮的中子星。失去支撐的恒星其他部分隨之墜落，撞向核心后再反彈，形成一股沖擊波。這會導致額外的核聚變發生，并產生比鐵更重的元素。

與此同時，核心中的巨大壓力會產生中微子，進一步增加反彈物質的能量。最終這會撕裂恒星，將所有物質——包括新形成的金屬（天文學家將除氫和氦之外的一切元素都稱為金屬）——拋向太空，只留下致密的恒星核心。

另一種情況是“對不穩定超新星”（pair-instability supernovae），它只有在質量遠超太陽100倍的恒星中才會發生。這些恒星的核心溫度如此之高，以至于光子會轉變為成對的電子和正電子。但這種能量向物質的轉化會使得核心壓力驟然降低，導致其猛烈收縮。這個過程釋放出的巨大能量將加劇熱核反應，最終引發一股將恒星撕裂的沖擊波。

惠倫將這種效果形容為一顆巨大氫彈的爆炸。無與倫比的威力會徹底摧毀這顆恒星，就連核心都會被轟至碎片，與所有這顆星星曾存在過的痕跡一同消散在太空中。

一場“對不穩定超新星”爆發釋放的能量可高達核心坍縮超新星的100倍。“它們是宇宙中最早的重元素工廠，其能力非同凡響。”惠倫說。

爆炸之后

在超新星爆發之后發生的事更是讓研究者們驚嘆不已。

在爆炸的第一代恒星周圍，還殘留著它們自己的氫氣。惠倫的模擬顯示，引力會將這些殘留物聚集成小團塊狀的結構。隨著超新星噴射出的熾熱物質向外擴散，這其中包括氧在內的金屬元素會與氫的團塊混合，使得它們愈發快地在引力下收縮。這些新的的金屬還有助于團塊冷卻，使得氧能夠與氫結合并形成水。

但這一過程會因超新星的類型而略有變化。核心坍縮超新星留下的物質流動得相對更平穩些，而爆炸威力更強的對不穩定超新星所噴出的物質運動則更加兇猛，其中強烈的湍流會產生更多的團塊，而且由于噴射物移動距離更短，水也形成得明顯更快。再者，“對不穩定超新星”中更高的壓力和溫度會比核心坍縮產生更多的金屬，使得這些團塊冷卻得也更快。

其結果便是水形成所需的時間在兩種情況下存在顯著差異。核心坍縮超新星在爆炸后約3000萬至9000萬年內會形成水，而“對不穩定超新星”僅需300萬年。

金屬元素的含量也是影響水形成的一大因素。據惠倫所說，一顆核心坍縮超新星生成的金屬只相當于太陽質量的幾十分之一，但“對不穩定超新星”卻能產出近乎一百倍太陽質量的金屬，包括三十至五十倍太陽質量的氧元素。這能夠產生的水要多得多。

核心坍縮超新星周圍的團塊含水量可比如今銀河系中的氣體云高出10到30倍，而“對不穩定超新星”能產出的團塊含水量更是相比太陽系都只略遜一籌。

由于產生“對不穩定超新星”的恒星質量更大，它們在生命歷程上比同類走的更快。這些恒星在堪堪250萬年內就能走完從誕生、燃燒到隕落的全過程，而產生核心坍縮超新星的恒星則需要近1200萬年來演化。因此，水分子會先在最為巨大的恒星周圍萌芽。

第一批行星

不論哪種情形，新的恒星都會從超新星遺留的團塊中再度成型。但行星是否也是如此？對于第一代行星會從第一代恒星的殘骸中形成的說法，人們尚未達成共識。但有些模擬結果確實表明，這些團塊也許就是未來行星的襁褓。

歐洲空間研究與技術中心（European Space Research and Technology Center）的天文學家圭德奧·德·馬爾奇（Guideo De Marchi）并未參與這項新研究，但他曾在類似于早期宇宙的低金屬豐度（即極少重元素）環境中發現過原行星盤。據他所言，在2003年，哈勃太空望遠鏡曾在一個金屬豐度極低的球狀星團中發現了證據，暗示一顆巨大行星的存在。

超新星的類型也有可能影響形成的行星的類型。氣態巨行星的外層主要由氫和氦構成，而巖質行星的形成則需要更多的硅酸鹽及其他的重元素。相比之下，對不穩定超新星能比核心坍縮超新星產生更多的金屬（即更復雜的元素），因此在核心坍縮超新星殘骸中誕生的恒星擁有足夠的原料來創造類似木星的行星，而巖質行星有更大機率繞著對不穩定超新星的子嗣運行。

而這一切，也許在最古老的星系成型之前就已悄然發生。

我們能看見它們嗎？

但別高興的太早：惠倫和同事們只研究了單顆超新星的爆炸。在宇宙網的細絲交匯處，很可能會有好幾顆早期恒星一同形成。這些恒星的強大輻射也許能摧毀剛剛形成的水分子。可與此同時，無處不在的塵埃也可以屏蔽輻射，從而保護水分子。

這兩種力量間存在一種“脆弱的平衡”，德·馬爾奇如此評論道。但他秉持著樂觀的態度：“既然在如小麥哲倫云這樣的低金屬環境里，我們看到了有水存在的原行星盤，那就說明至少一部分水分可以被保存下來。”

在早期宇宙中尋找水的蹤跡仍是一大挑戰，找到圍繞單一恒星運行的第一代行星亦是如此。哪怕這些古老恒星聚集成團，它們的光芒對現有的觀測設備而言也太過暗淡。因此，惠倫的團隊正在研究這些富含水的早期恒星和行星作為一個整體會發出怎樣的信號。

“早期宇宙中所有（富含水的）恒星和行星……有可能產生一種朦朧的背景發射，”惠倫表示。下一個十年里，智利的阿塔卡馬大型毫米波陣列（Atacama Large Millimeter Array）或正在澳大利亞及南非建設中的平方公里陣列（Square Kilometer Array）將有可能接收到這種信號。

責任編輯：DAIKIN

牧夫新媒體編輯部

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超新星

@NASA

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