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一项新的研究发现,宇宙中的第一颗恒星的最高质量可能是太阳的1万多倍,比今天最大的恒星大约大1000倍。
如今,最大的恒星有100个太阳质量。但是研究人员发现,早期的宇宙是一个更加奇特的地方,充满了超大型的恒星,它们生活得很快,而且死得非常非常年轻。
而一旦这些注定失败的巨人消亡,就再也没有条件让它们再次形成。
宇宙的黑暗时代
130多亿年前,大爆炸后不久,宇宙没有星星。那里只有一碗温暖的中性气体汤,几乎完全由氢和氦组成。然而,在数亿年中,这些中性气体开始堆积成越来越密集的物质球。这个时期被称为宇宙的黑暗时代。
在现代宇宙中,密集的物质球迅速坍缩,形成恒星。但这是因为现代宇宙拥有早期宇宙所缺乏的东西:大量比氢和氦更重的元素。这些元素能够非常有效地将能量辐射出去。这使得密集的团块能够非常迅速地收缩,坍缩到足够高的密度以触发核聚变;核聚变是通过将较轻的元素结合成较重的元素而为恒星提供动力的过程。
但首先获得较重元素的唯一途径是通过同样的核聚变过程。多代恒星的形成、核聚变和死亡使宇宙富集到现在的状态。
由于没有快速释放热量的能力,第一代恒星必须在更不同、更困难的条件下形成。
冷锋
为了了解这些最早的恒星之谜,一个天体物理学家团队转向了对黑暗时代的复杂计算机模拟,以了解当时的情况。他们在1月份发表在预印本数据库arXiv上的一篇论文中报告了他们的发现,并提交给《皇家天文学会月刊》进行同行评审。
新的工作具有所有常见的宇宙学成分:帮助星系成长的暗物质,中性气体的演变和聚集,以及能够冷却和有时重新加热气体的辐射。但是他们的工作包括了一些其他人所缺乏的东西:冷锋–快速移动的冷物质流–猛烈撞击已经形成的结构。
研究人员发现,在第一颗恒星形成之前有一个复杂的相互作用网络。中性气体开始聚集并结成团块。氢气和氦气释放出一点热量,这使得中性气体的团块慢慢达到更高的密度。
但是高密度的团块变得非常温暖,产生的辐射使中性气体破裂,并阻止它破碎成许多更小的团块。这意味着由这些团块组成的恒星可以变得令人难以置信的大。
超大质量恒星
辐射和中性气体之间的这些来回互动导致了大量的中性气体池,这就是最初的星系的雏形。这些原星系深处的气体形成了快速旋转的吸积盘;这些快速流动的物质环在大质量物体周围形成,包括现代宇宙中的黑洞。
与此同时,在原星系的外缘,寒冷的气体锋面倾泻而下。最冷的、质量最大的锋面穿透了原星系,一直到吸积盘。
这些冷锋撞向星盘,使其质量和密度迅速增加到一个临界点,从而使第一批恒星出现。
那些最初的恒星并不是普通的核聚变工厂。它们是巨大的中性气体团块,一下子就点燃了它们的核聚变,跳过了它们破碎成小块的阶段。由此产生的恒星质量是巨大的。
那些最早的恒星会非常明亮,而且寿命极短,不到一百万年。(现代宇宙中的恒星可以活几十亿年)。在那之后,它们会在超新星爆炸的狂暴爆发中死亡。
这些爆炸会携带内部核聚变反应的产物,即比氢和氦更重的元素,然后成为下一轮恒星形成的种子。但是现在被更重的元素污染了,这个过程就不能再重复了,而那些怪物就再也不会出现在宇宙舞台上了。