天文学中最伟大的任务之一就是找到第一颗恒星。这些恒星在大爆炸后的几亿年内诞生和死亡,但对于那些位于宇宙非常遥远的地方的恒星来说,它们的光可能现在才到达我们这里,因为它们花了 140 亿年的时间穿越了它们之间的空间。在如此远的距离上,很难发现星系,更不用说单个恒星了,但许多天文学家认为我们已经很接近了,这要归功于其中一些庞然大物的巨大尺寸。那么为什么早期宇宙的恒星比今天存在的恒星大得多呢?
在我们回答这个问题之前,先介绍一下背景知识和术语解释。如果我们谈论的是尺寸而不是质量,那么今天有一些真正巨大的恒星。众所周知,如果参宿四的中心位于太阳所在的位置,那么它的外部边界将几乎延伸到木星,使其半径接近太阳的 1000 倍,体积接近太阳的 10 亿倍。这些数字是近似值,参宿四不断变化的表面,就像一个锅即将沸腾,很难衡量,估计误差有 30-40%,但毫无疑问它非常非常大。
而且,参宿四只是我们当地的超巨星,因为距离比较近而出名。还有更大的恒星,例如VY 大犬座。
然而,虽然这些恒星的体积远大于太阳,但这是因为它们在生命即将结束时耗尽了氢而膨胀起来。质量是衡量恒星的一个更重要的指标,这里的范围较小。我们银河系中已知质量最大的恒星包含125 个太阳质量。这些估计也存在疑问,因为除非它们有伴星,否则我们只能间接测量质量。尽管如此,目前普遍认为存在 100 到 200 个太阳质量之间的限制。
很少有恒星能达到这个水平——事实上,大多数恒星的质量都比太阳小得多。
那么我们狩猎的方式是怎样的呢?”天上的怪物” 认为有 5,000-10,000 个太阳质量?虽然没有得到证实,但最近的发现如果早期宇宙中的氦被质量是太阳 1000 倍的恒星照亮,那么它就最有意义——是今天可能的质量的 5 到 10 倍。
第一批恒星(称为第三族)完全由氢和氦以及少量锂形成,缺乏当今存在的所有较重元素,这些元素是前几代恒星的产物。这些较重的元素,天文学家称之为金属,通常只占恒星起始质量的很小一部分,但事实证明,这些小杂质非常重要。
人们认为大爆炸在以下地点留下了包含 1,000 个太阳质量左右的气体云:暗物质晕达到顶峰。原子氢是散热器很差。当纯氢气体云塌陷时,它会随着其重力势能转变为热量而升温,最终达到聚变开始的温度和压力,形成一颗恒星。并非所有人都同意但大多数天体物理学家认为,只要气体是一个不良的散热器,整个星云就可能凝结成一颗恒星,至少有时是这样。
当现代宇宙中出现类似的气体斑块时,例如在恒星形成区域,例如猎户座星云,气体主要是氢气,但含有多种金属的混合物,其中一些金属的散热性能要好得多。额外的辐射意味着气体碎片斑块早在它们成为明星之前,就可以防止产品变得太大。
这并不意味着所有第三族恒星都是巨星。一篇论文提出最低值并不远高于0.8个太阳质量,这要归功于气体有时会分裂成更小的口袋。这比目前明星喜欢的最小尺寸大很多半人马座旁边,0.12 个太阳质量,很常见。尽管如此,这意味着大多数早期恒星都在我们熟悉的范围内。
即便如此,似乎也有“当年有巨人”的说法,而对于人类史前史来说不准确,对于明星来说也是如此。一小部分早期恒星确实是巨大的。由于对于主序星来说,恒星光度的增加超过了质量的立方,因此我们可以预期质量为太阳 1,000 倍的恒星的亮度将超过太阳的十亿倍。其实这种关系崩溃了对于质量超过太阳 55 倍的恒星。
因此,一颗 1,000 个太阳质量的恒星的亮度将是太阳的 300 万倍左右。对于极少数最初的恒星来说,这仍然足以对星系的形成产生巨大的影响,并且可能在数十亿光年之外可见。