先不谈宇宙最古老,发现银河系最古老的恒星都是一件难事。更难谈会是什么样。
而国外的天文学家们,在银河中心附近发现了一批银河系最古老的恒星,或许可提供包含第一代恒星如何死亡在内的早期宇宙状态的线索,甚至可让天文学家进一步了解宇宙从诞生迄今137亿年间,究竟是如何随时间改变的。
这些恒星已经在非常接近银河中心的地方待了数十亿年了,它们的金属丰度(重元素丰度)都极低,其中一颗恒星甚至是迄今在银河中心区发现的金属丰度最低的极贫金属星(extremely metal-poor star)。这些恒星也含有特别的「化学指纹(chemical fingerprint)」,显示宇宙最早诞生的恒星可能最后死亡时是经历了所谓的「特超新星(hypernovae)」爆发,其爆发时的威力比一般的超新星还高10倍以上。
数十年来,天文学家一直想方设法地要了解大霹雳后的宇宙到底是什么模样?而第一代恒星和第一代星系如何形成,是理解宇宙最早期状态的关键点。大霹雳后不久,宇宙全都只有氢、氦和非常少量的锂等轻元素。至于这三者以外的其他重元素(或称金属元素),包括我们呼吸所需的氧或食盐中的钠等,都是经由恒星演化过程中核心核融合反应制造产生,或是经由大质量恒星演化末期发生超新星爆炸时制造出来的。因此,若恒星含有的重元素愈稀少,代表这颗恒星诞生的时间愈早,反之如太阳等富含重元素的恒星就是比较晚期才诞生的。为了了解宇宙早期的状况,天文学家致力寻找极贫金属星,它们的主要成分几乎都是氢,只有非常少量的其他元素。而银河系含有数千亿颗恒星,天文学家热衷于从中捞取最古老的那些恒星,以便了解它们的化学组成和运动模式。
天文学家以前就认为第一代恒星是在星系中心处形成,毕竟此处的重力效应是最强的。但经历数十年搜寻,天文学家发现银河系中心绝大部分恒星的金属丰度都与太阳邻近恒星相近。而且虽然银河中心的恒星年龄高达70亿岁左右,但还不够老到能利用它们来了解早期宇宙的状况。
利用位在澳洲和智利的望远镜进行研究,天文学家可能发现一个能在银河系中发现最老恒星的致胜秘诀:那些金属丰度低的恒星,会比其他恒星还蓝一点;这些天文学家利用这些微的颜色差异,利用ANU的SkyMapper望远镜拍摄的影像,在银河中心数百万颗恒星中筛选出14,000可能为最老恒星的候选者,之后再用口径大一点的望远镜拍摄这些恒星的光谱以进行详细测量。结果又从中筛选出23颗恒星为极贫金属星,这些天文学家又利用位在智利阿塔卡玛沙漠的口径更大的望远镜进行确认,最终确定其中9颗恒星的金属丰度只有不到太阳的千分之一,甚至其中一颗只有太阳的万分之一,这是迄今已知在银河中心发现金属丰度最低的恒星!
如果可以将太阳里的所有铁浓缩成约拳头大小的话,则有些恒星的铁含量只有一颗小小的鹅卵石大小;这是两种非常不同的恒星种类。然而,知道这些恒星的金属丰度低,并不足以拿来当作这些恒星是在宇宙极早期形成的绝对证据,因为这些恒星可能形成年代比较晚,但它们的形成地点是在银河系中比较稀疏的地带,恒星世代交替得少,造星物质中的重元素含量也随之较少,只是现在刚好绕银河公转而行经银河中心。
为了区分出这些可能性,这些研究学者精细测量这些恒星的距离以及它们在天空中的运动,以此检视它们曾经身在何方。结果发现虽然其中有些恒星只是凑巧经过银河中心,但有7颗恒星却是自诞生起就在银河中心。经电脑模拟显示像这样的恒星必定是在宇宙极早期形成的。
当银河系中最早的第一代恒星死亡时,会留下可代表当代恒星的化学指纹;从这些化学指纹,显示这些第一代恒星的死亡方式很特别,乃是所谓的特超新星爆炸,其爆炸威力比一般超新星还高10倍以上,这是宇宙威力最钜的事件之一,与我们现今所知的任何恒星爆炸事件都截然不同。
银河中心恒星数量极为庞大,所以在银河中心要找到宇宙极早期形成的恒星就如同大海捞针一样,可是如果找的方向正确,用的工具恰当,那就能事半功倍了。而找到这些古老恒星,让我们对宇宙极早期状态的认识又能多了一点。