韦伯望远镜发现宇宙最早超大质量恒星证据

天文学家通过分析詹姆斯·韦伯太空望远镜的数据，可能首次找到了宇宙早期最大质量恒星的确凿证据——这些奇异巨星的重量可能达到太阳质量的10,000倍。

这一发现聚焦于星系GS 3073中异常高的氮元素浓度，该星系距离对应大爆炸后约10亿年的宇宙时期。根据《天体物理学杂志通讯》发表的研究，这种化学特征只能通过少数所谓的第三族超大质量恒星来解释，每颗恒星质量介于1,000至10,000个太阳质量之间。

哈佛-史密松天体物理中心的研究负责人德维什·南达尔向《新科学家》表示：“我们所有的星系演化模型都基于恒星质量不能超过约120个太阳质量的前提。虽然理论上确实提出过超越这一质量的恒星概念，但此前从未有具体观测数据支持这类主张。”

第三族恒星被认为形成于早期宇宙的原始氢氦环境中，远在第一批超新星爆发将重元素散布到太空之前。理论模型表明这些原始恒星可能成长为异常巨大的尺寸，在短暂而剧烈的燃烧后坍缩成黑洞。

研究团队通过分析韦伯望远镜的光谱数据，发现GS 3073星系中氮氧比例高达0.46，远超其他早期星系的观测值，且无法用常规恒星族群解释。通过恒星演化模型模拟，研究人员追溯了巨大原始恒星在其短暂寿命中如何产生并扩散元素。

分析显示，质量在1,000至10,000个太阳质量之间的第三族超大质量恒星，可通过特定核聚变路径产生观测到的氮过量现象。当氦燃烧在这些巨恒星内部进行时，碳-12会进入氢壳层并聚变成氮-14，形成的过量氮元素在恒星内部混合后最终被释放到太空。

南达尔强调：“这项研究为早期宇宙中存在第三族超大质量恒星提供了迄今最令人信服的证据。”

不过学界对此仍存争议。剑桥大学的罗伯托·迈奥利诺质疑该星系的化学特性是否与第三族恒星的形成环境相符：“第三族恒星必须形成于近乎原始的环境，缺乏比氦更重的元素。而GS 3073在化学上已是个相对成熟的星系。”

爱尔兰梅努斯大学的约翰·里根则指出这可能反映了早期宇宙结构的特殊性：“当我们观测早期宇宙时，遇到的都是真正奇特异常的星系。因此很难断言超大质量恒星不应形成，仅因其过于特殊。”

若获证实，这些超大质量恒星将有助于解决宇宙学中的一个重大谜题：超大质量黑洞如何在大爆炸后最初十亿年内就增长到数十亿太阳质量。第三族恒星坍缩形成的黑洞种子，将比普通恒星质量黑洞更具质量优势，这可能解释早期类星体中观测到的黑洞快速成长现象。

验证GS 3073星系中是否存在超大质量恒星，还需要识别这些原始巨恒星的其他化学特征。里根坦言：“证实其存在极具挑战性，但当前发现的化学特征尤其具有说服力。”