光明網訊（記者 宋雅娟 肖春芳）6月7日，記者從中國科學院國家天文臺獲悉，由國家天文臺天體豐度和星系演化團組首席研究員趙剛帶領的國際團隊率先在銀暈恒星中發現了第一代超大質量恒星演化后坍縮形成的對不穩定超新星（pair-instability supernova, PISN）存在的化學證據。
(資料圖)
在此之前，理論研究曾預言這種特殊超新星的存在，但從未被觀測發現。該成果證實這一超新星源自于一顆質量高達260倍太陽質量的第一代恒星，刷新了人們對第一代恒星質量分布的認知。北京時間6月7日，國際學術期刊《自然》在線發表了這項重要成果，趙剛研究員為論文通訊作者，國家天文臺副研究員邢千帆為論文第一作者。
對不穩定超新星晉升銀河系考古“新寵兒”
第一代恒星給宇宙帶來第一縷曙光，是終結黑暗時代的起始點，主導著早期宇宙化學增豐過程和演化歷史。理論預言第一代恒星的壽命極短，只存在于高紅移的宇宙之中，因此直接觀測到第一代恒星的難度極大。
長期以來，銀河系考古領域一直致力于通過貧金屬星來研究第一代恒星，部分極貧金屬星（金屬含量低于太陽的百分之一）可能誕生于第一代恒星終結時形成的氣體云，其化學豐度完整保留了第一代恒星演化產物的特征，從而使我們能夠利用這些“活化石”揭示第一代恒星的演化歷史。
理論研究表明，第一代恒星的質量可以達到太陽質量的數百倍，但人們一直未能從觀測上發現相關證據。通常發現的極貧金屬星保留了核坍縮超新星（core-collapse supernova, CCSN）的核合成產物，但這些超新星的前身星普遍小于100倍太陽質量。
對于質量介于140-260倍太陽質量的第一代恒星而言，其核心處產生的正負電子對會減弱恒星內部輻射壓力，并導致恒星坍縮形成一種特殊的超新星，即PISN。與核坍縮超新星相比，PISN產物具有極為特殊的化學組成，在其演化后形成的氣體云中誕生的第二代恒星會展現出極其罕見的化學豐度模式。
第一代超大質量恒星演化成為對不穩定超新星的藝術展示圖。對不穩定超新星將富含多種元素的物質拋射到星際介質中，并以此形成下一代恒星
開展國際合作 LAMOST再立新功
邢千帆介紹，此次研究團隊是結合郭守敬望遠鏡（LAMOST）低分辨率光譜和日本昴星團（Subaru）望遠鏡高分辨率光譜數據，發現了這顆化學豐度極為特殊的恒星（LAMOST J1010+2358），它具有目前已知最低的鈉含量。
“這顆恒星的化學豐度還顯示出了強烈的‘奇偶效應’，就是原子序數為奇數的元素含量遠低于相鄰的原子序數為偶數的元素含量。此外，它基本不含鍶、鋇等中子俘獲元素，幾乎未受到中子俘獲過程的影響。”邢千帆解釋說，這些化學豐度特征無法通過核坍縮超新星理論模型解釋，卻與260倍太陽質量的PISN理論計算結果高度吻合（見下圖）。這一發現首次從觀測上證實了PISN的存在，并為第一代超大質量恒星（超過100倍太陽質量）形成和演化的觀測研究指明了方向。同時，PISN的前身星質量大、壽命短，小于300萬年，在其爆發后誕生的恒星極可能是迄今發現的最為古老的第二代恒星。
化學豐度特殊恒星LAMOST J1010+2358與超新星模型的比較。紅色圓點代表LAMOST J1010+2358的元素豐度，黑色實線分別表示前身星質量為10倍太陽質量的核坍縮超新星(a); 85倍太陽質量的核坍縮超新星(b); 260倍太陽質量的對不穩定超新星(c)
趙剛表示，此項研究從觀測上證實第一代恒星的質量可以達到太陽質量的數百倍，揭示了PISN在宇宙早期化學增豐過程中的貢獻，對研究第一代恒星的初始質量函數意義重大，并將對元素起源、宇宙早期的恒星形成和星系化學演化等方面的研究產生深遠影響。
據悉，趙剛團隊長期從事天體豐度的研究工作，建立了大規模貧金屬星的高分辨率光譜觀測樣本，完成了對其化學豐度的系統性定量分析，為這一發現提供了堅實的基礎。
哈佛大學前天文系主任阿維·勒布（Avi Loeb）稱：“發現PISN的證據是貧金屬星研究領域的圣杯之一。”
《自然》期刊審稿人評價該成果第一次為PISN與銀暈恒星化學豐度之間的聯系提供了決定性證據。未來期待能夠利用LAMOST和中國空間站工程巡天望遠鏡發現更多化學豐度特殊的恒星，通過對第一代恒星遺跡的分析，進一步確定恒星初始質量函數，加深對銀河系演化歷史的理解。
北京航空航天大學教授梶野敏貴表示，見證了中國LAMOST和日本Subaru望遠鏡多年的成功合作，這次成就是這支國際團隊又一通力合作的成果，這次的發現，以及未來許多可預期的發現，將會揭示早期宇宙中超大質量黑洞形成的未知機制。
據介紹，此項研究得到國家自然科學基金委基礎科學中心項目、國家重點研發計劃項目和中國科學院青年創新促進會等的資助，主要合作單位包括中國科學院云南天文臺、日本國立天文臺和澳大利亞莫納什大學。
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