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現(xiàn)在，大家已經(jīng)基本接受了這樣的觀(guān)念：宇宙并不是從來(lái)都是這個(gè)樣子的，而是一直在演化，其中的天體也不是與生俱來(lái)的，而是經(jīng)歷了從無(wú)到有，從少到多的過(guò)程。

那么，現(xiàn)在宇宙中那些我們熟知的發(fā)光天體：恒星、星系、黑洞等等，它們最早是怎么來(lái)的呢？我們的銀河系非常古老，其中最老的恒星有一百多億歲。宇宙中最早的發(fā)光天體必然形成于更早的時(shí)期，那時(shí)的宇宙還是一個(gè)小孩兒。

圖1：宇宙的演化歷史。宇宙的年齡約137億年，第一代發(fā)光天體大概形成于宇宙年齡在幾千萬(wàn)年到幾億年之間，在這之前宇宙經(jīng)歷了一段所謂“黑暗時(shí)期”（圖源：NASA）

第一代恒星

現(xiàn)在宇宙中的恒星基本都在星系里，雖然星系之外也有一些“流浪”的恒星，但是它們?cè)疽彩窃谛窍抵畠?nèi)的，只不過(guò)在發(fā)生星系互相碰撞的時(shí)候，被撞的拋了出來(lái)。但第一代恒星并非如此，它們不是在星系里形成的?；蛘哒f(shuō)，那些宇宙中最早的一批恒星，當(dāng)它們形成的時(shí)候，星系還沒(méi)有形成。

第一代恒星形成的時(shí)候，宇宙還非常年輕，暗物質(zhì)在密度高的地方結(jié)團(tuán)，形成暗物質(zhì)暈，氣體也隨之聚集在一起。這時(shí)候，這些氣體的元素只有氫、氦和少量的鋰，其它的元素還沒(méi)有形成，可供氣體冷卻的途徑相對(duì)較少，主要通過(guò)氫分子冷卻。氫分子的冷卻效率不算高，不能把氣體冷卻到很低的溫度，在收縮的過(guò)程中氣體也不容易碎裂。

最終的結(jié)果是一個(gè)暗物質(zhì)暈內(nèi)只能形成一個(gè)或者若干個(gè)恒星。顯然，這樣的“恒星集團(tuán)”被稱(chēng)為星系是不合適的，作為比較，大家可以參考我們所居住的銀河系，銀河系里有著約1000億顆恒星！

圖2：左圖，第一代恒星的藝術(shù)想象圖；右圖，銀河系的藝術(shù)想象圖。早期宇宙中，一個(gè)小質(zhì)量的暗物質(zhì)暈里往往只能形成一個(gè)或幾個(gè)恒星，而現(xiàn)在的宇宙里，單單我們銀河系中就有多達(dá)1000億顆恒星（圖源：左圖https://kipac.stanford.edu/media/first-starlight，右圖NASA/JPL-Caltech）

雖然形成的第一代恒星數(shù)量較少，但是就單個(gè)恒星而言，質(zhì)量卻比我們銀河系里最常見(jiàn)的恒星要大得多，可以達(dá)到太陽(yáng)的幾十倍甚至幾百倍，也有人認(rèn)為可以達(dá)到上千倍。第一代恒星的表面溫度也更高，能到十萬(wàn)開(kāi)以上（太陽(yáng)的表面溫度只有約6000開(kāi)），因此發(fā)出的光也更“硬”（高能部分占比大）。同時(shí)，它們的大氣中也不含金屬譜線(xiàn)。當(dāng)然，它們壽命也比較短，只有幾百萬(wàn)年。

以上這些獨(dú)有的特征，使得第一代恒星在觀(guān)測(cè)中很容易被區(qū)分出來(lái)。遺憾的是第一代恒星形成在宇宙很早的時(shí)候，大致在宇宙年齡為幾千萬(wàn)年到幾億年之間。因此它們離我們十分遙遠(yuǎn)且十分黯淡。

例如，一顆100倍太陽(yáng)質(zhì)量的第一代恒星，如果形成在宇宙年齡為3億年的時(shí)候，它現(xiàn)在離我們約300多億光年（沒(méi)錯(cuò)，這個(gè)數(shù)比宇宙年齡乘以光速大，這是宇宙膨脹造成的效應(yīng)），此時(shí)它的亮度只有約40等，比哈勃望遠(yuǎn)鏡能夠看到的最暗的星星還要暗一萬(wàn)倍，很顯然沒(méi)法被現(xiàn)在的望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)到。

不過(guò)，第一代恒星爆發(fā)產(chǎn)生的超新星會(huì)非常亮，有可能被下一代的望遠(yuǎn)鏡捕捉到。即將發(fā)射的，作為哈勃望遠(yuǎn)鏡的繼承者的詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡(JWST)，其科學(xué)目標(biāo)之一就是捕捉來(lái)自第一代恒星的超新星爆發(fā)。

圖3：數(shù)值模擬給出的第一代恒星超新星爆發(fā)之后的情形。這個(gè)超新星的前身恒星的質(zhì)量為200倍太陽(yáng)質(zhì)量，總共釋放了約1052爾格的能量。一顆這樣的超新星爆發(fā)，拋出的物質(zhì)傳播的距離就可以達(dá)到銀心到太陽(yáng)距離的約四分之一（圖源：Greif等人2008年的研究論文）

了解第一代恒星還有另外一種途徑，就是在我們的銀河系內(nèi)尋找古老的極端貧金屬星。相對(duì)于第一代恒星（這樣的短命的龐然大物）而言，這些極端貧金屬星是一些小不點(diǎn)，但是壽命非常長(zhǎng)，可以一直存活到現(xiàn)在。它們本身不是第一代恒星，但是它們大氣里的金屬可能來(lái)自于第一代恒星，它們好比化石一樣，記錄了早期宇宙的信息。

圖4：詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡（JWST）的探測(cè)范圍可以達(dá)到紅移約20，有可能捕捉到第一代恒星的信息（圖源：NASA）

第一代恒星形成之后，會(huì)產(chǎn)生一些對(duì)后續(xù)新恒星的形成不利的因素，這稱(chēng)為“反饋”效應(yīng)。比如它們產(chǎn)生的輻射可以破壞掉能冷卻氣體的氫分子，電離和加熱附近的氣體，它們的超新星爆發(fā)可以把氣體吹到暗物質(zhì)暈的外面。這些都不利于后來(lái)的恒星繼續(xù)形成，因此初期的第一代恒星形成模式幾乎是“一錘子買(mǎi)賣(mài)”。

當(dāng)一顆或者一批第一代恒星形成之后，除非在它們死亡之后再經(jīng)歷足夠長(zhǎng)的時(shí)間，否則在同一個(gè)或者附近的暗物質(zhì)暈里，很難再有新的恒星形成。我們一般認(rèn)為第一代恒星的形成是“self-limited”模式，即在有限的體積內(nèi)，第一代恒星的數(shù)量會(huì)有一個(gè)上限。當(dāng)然，這個(gè)上限到底是多少，我們目前還不清楚，只能期待未來(lái)的觀(guān)測(cè)能夠回答。

在宇宙演化中，第一代恒星起到了一個(gè)很重要的作用，就是它的超新星爆發(fā)提供了最早的金屬元素，含有金屬的氣體能夠更有效地冷卻，從而形成下一代的恒星。

第一代星系

隨著宇宙繼續(xù)演化，當(dāng)暗物質(zhì)暈的質(zhì)量再大一些的時(shí)候，一種新的、效率更高的冷卻機(jī)制開(kāi)始發(fā)揮作用，同時(shí)暗物質(zhì)暈內(nèi)的氣體也更多。于是，恒星就可以批量形成了。

更重要的是，由于暗物質(zhì)暈更大，引力勢(shì)阱更深，反饋效應(yīng)并不能完全抑制住恒星的形成，而是努力尋求跟恒星形成的過(guò)程達(dá)成平衡的狀態(tài)。這樣，在暗物質(zhì)暈里面，恒星的形成不再是“一錘子買(mǎi)賣(mài)”，而是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程。這是第一代星系形成的一個(gè)標(biāo)志。

恒星持續(xù)形成的結(jié)果就是，星系里面的恒星既有年輕的、也有年老的，如同我們的銀河系那樣，最老的恒星有一百多億歲，而最年輕的才剛剛形成。

第一代黑洞

人們現(xiàn)在已經(jīng)觀(guān)測(cè)到了許許多多不同種類(lèi)的黑洞，比如銀河系里有很多恒星級(jí)黑洞，某些矮星系中心可能存在中等質(zhì)量的黑洞，以及活動(dòng)星系核中心的超大質(zhì)量黑洞等等。那么，宇宙中的第一代黑洞是什么呢？

一般來(lái)說(shuō)，黑洞的形成需要恒星的形成作為前置條件（這里不考慮暴脹產(chǎn)生的原初黑洞）。恒星耗盡燃料之后，其中心部分缺少壓強(qiáng)支撐，在引力作用下坍縮成黑洞，這是人們最熟悉的黑洞形成圖景。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。

圖5：黑洞是一種依然神秘的天體。星系中心的超大質(zhì)量黑洞有的很安靜，幾乎不發(fā)出任何輻射，有的則非?；钴S，不斷吞噬周?chē)奈镔|(zhì)，發(fā)出劇烈的輻射。目前人們依然沒(méi)有弄清超大質(zhì)量黑洞的起源（圖源：NASA/JPL-Caltech）

這些黑洞的質(zhì)量跟恒星差不多，它們像種子一樣，一旦遇到合適的條件，即充足的氣體供應(yīng)，就會(huì)長(zhǎng)大，最終從幾十倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞成長(zhǎng)為十億甚至百億倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。當(dāng)然，這個(gè)過(guò)程可能會(huì)十分漫長(zhǎng)，并且可能被打斷。詳細(xì)的研究表明，恒星級(jí)黑洞很難順利成長(zhǎng)為超大質(zhì)量黑洞，因此，人們并不確定超大質(zhì)量黑洞的種子是否來(lái)自于第一代恒星。

除了上面說(shuō)的這種途徑之外 ，還有另外一種途徑也可以形成第一代黑洞。在一個(gè)從來(lái)沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)恒星形成且質(zhì)量比較大的暗物質(zhì)暈里，如果它的氫分子被外界的輻射破壞掉了，氣體將始終維持較高的溫度且無(wú)法碎裂。這種情況下，氣體的中心部分可以直接坍縮成一個(gè)黑洞，或者中心部分先形成一個(gè)超大質(zhì)量恒星，之后再坍縮成黑洞。

第二種途徑形成的黑洞被統(tǒng)稱(chēng)為“直接坍縮黑洞”。它們的質(zhì)量在剛誕生的時(shí)候就可以達(dá)到一萬(wàn)倍到一百萬(wàn)倍的太陽(yáng)質(zhì)量，屬于我們常說(shuō)的中等質(zhì)量黑洞。如果把這些直接坍縮黑洞做為種子，再成長(zhǎng)為超大質(zhì)量黑洞就容易地多。

“直接坍縮黑洞”雖然解決了超大質(zhì)量黑洞的增長(zhǎng)問(wèn)題，但它本身的形成條件卻十分苛刻。首先，需要暗物質(zhì)暈的質(zhì)量比較大但又不能太大。另外，還要求它里面的氣體始終保持“純潔”，即不受外界的金屬污染和電離輻射的影響，但同時(shí)又能有足夠強(qiáng)的其它輻射來(lái)破壞掉氫分子。這就要求在它的附近，有一個(gè)既不能太近又不能太遠(yuǎn)的恒星或者星系。宇宙中有多少暗物質(zhì)暈?zāi)軡M(mǎn)足以上所述條件，這是有疑問(wèn)的，因此直接坍縮黑洞的數(shù)量也難以估計(jì)。

這兩種第一代黑洞形成的途徑，到底哪一個(gè)給超大質(zhì)量黑洞提供了種子，只能留待將來(lái)的觀(guān)測(cè)來(lái)回答。

圖6：兩種第一代黑洞形成的途徑，上為第一代恒星死亡之后形成的恒星級(jí)黑洞，下為直接坍縮形成的中等質(zhì)量黑洞（圖源：張萌后期處理）

直到現(xiàn)在，并沒(méi)有任何直接坍縮黑洞被觀(guān)測(cè)到，可能是因?yàn)樗鼈兗认∩儆主龅?。直接坍縮黑洞的光譜與普通的星系及類(lèi)星體相比，是有一些差異的，因此可以通過(guò)測(cè)光觀(guān)測(cè)進(jìn)行初步的候選體篩選，然后再進(jìn)行細(xì)致的光譜觀(guān)測(cè)來(lái)甄別。

目前，利用哈勃望遠(yuǎn)鏡和錢(qián)德拉望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)家們已經(jīng)挑選了一些可能是直接坍縮黑洞的天體，作為候選體留給以后更強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡做進(jìn)一步觀(guān)測(cè)。當(dāng)然也有一些曾經(jīng)大家以為是直接坍縮黑洞的候選體，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步觀(guān)測(cè)之后被排除掉了。未來(lái)，JWST望遠(yuǎn)鏡有可能將篩選直接坍縮黑洞的候選體作為科學(xué)目標(biāo)之一。

此外，直接坍縮黑洞也可能形成雙黑洞，這樣的雙黑洞互相繞轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生頻率較低的引力波，也可作為新一代空間引力波實(shí)驗(yàn)的探測(cè)目標(biāo)，例如我國(guó)的“太極”計(jì)劃和“天琴”計(jì)劃。

作者簡(jiǎn)介：岳斌，國(guó)家天文臺(tái)研究員，主要從事再電離、第一代發(fā)光天體等相關(guān)研究。張萌，國(guó)家天文臺(tái)在讀博士生，主要研究方向?yàn)橹苯犹s黑洞的形成。

責(zé)編：萬(wàn)昊宜、袁鳳芳

編輯：趙宇豪、柒　柒