以马克斯·普朗克天文学研究所爱德华多·巴纳多斯为首的天文学家发现了一个气体云，其中包含了星系和恒星形成早期阶段的信息，距离宇宙大爆炸仅有8.5亿年（138.2亿年前宇宙大爆炸诞生）。这片云是在对一个遥远类星体的观测中偶然发现的，它具有天文学家从现代矮星系观测中所期望的特性。当谈到相对丰度时，气体云的化学成分令人惊讶地现代，这表明宇宙中的第一颗恒星一定是在宇宙大爆炸之后非常迅速地形成，其研究结果发表在《天体物理学》上。
当天文学家观察遥远的天体时，相当于会回顾过去，气体云的光是如此遥远，以至于它的光花了近130亿年才到达我们地球；相反，现在到达的光告诉我们气体云在大约130亿年前是什么样子，也就是宇宙大爆炸后不超过8.5亿年。对于天文学家来说，这是一个非常有趣的时代。在宇宙大爆炸后的最初数亿年内，第一批恒星和星系形成，但这种复杂演化的细节在很大程度上仍然是未知的。这个非常遥远的气体云是一个偶然的发现，当时在卡内基科学研究所工作的巴纳多斯和同事们正在跟踪几个类星体。
这是由Chiara Mazzucchelli准备的，作为马克斯·普朗克天文学研究所博士研究的一部分，对已知15个最遥远的类星体(z³6.5)进行了研究。起初，研究人员只是注意到类星体P183+05有一个相当不寻常的光谱。但是，当巴纳多斯分析了更详细的光谱时，意识到还有其他事情在发生：奇怪的光谱特征是距离遥远类星体非常近的气体云痕迹，这是天文学家迄今还能识别出最遥远的气体云之一，这也是智利拉斯坎帕纳斯天文台麦哲伦望远镜获得的更详细光谱。
类星体是遥远星系中极其明亮的活跃核，类星体发光背后的驱动力是星系中心的超大质量黑洞。在黑洞周围旋转的物质(在落入黑洞之前)加热到几十万度，释放出巨大的辐射。这使得天文学家可以使用类星体作为背景源来检测氢和吸收中的其他化学元素：如果气体云直接位于观察者和遥远的类星体之间，则类星体的一些光将被吸收。天文学家可以通过研究类星体的光谱来探测这种吸收，也就是类星体的光在不同波长。吸收模式包含关于气体云的化学成分，温度，密度，甚至与我们(和类星体)的距离信息。
这背后的事实是，每个化学元素都有一个光谱线“指纹”，即该元素的原子可以特别好地发射或吸收光的窄波长区域，特征指纹的存在揭示了特定化学元素的存在和丰富程度。从气体云的光谱，研究人员可以立即知道气体云的距离，以及正在回顾最初十亿年的宇宙历史。同时还发现了一些化学元素的痕迹，包括碳，氧，铁和镁。然而，这些元素的量很小，大约是我们太阳大气中丰度的1/800。天文学家将所有比氦重的元素统称为“金属”，这种测量使气体云成为宇宙中已知的最贫金属(也是最遥远的)系统之一。
这项新研究的合著者，卡内基科学研究所的Michael Rauch说：在确信宇宙大爆炸后仅8.5亿年观察到如此原始的气体之后，我们开始怀疑这个系统是否仍能保留第一代恒星产生的化学信号。找到这些第一代恒星，是重建宇宙历史的最重要目标之一。在后来的宇宙中，比氢重的化学元素在让气云坍塌形成恒星方面起着重要作用。但是那些化学元素，特别是碳，本身就是在恒星中产生，并在超新星爆炸中被抛向太空。对于第一批恒星来说，那些化学“促进剂”根本不会在那里，因为在大爆炸阶段之后，只有氢和氦原子。
这就是第一批恒星与所有后面诞生恒星根本不同的原因。分析表明，星云的化学组成在化学上并不原始，相反，相对丰度与今天在星系间气体云中观察到的化学丰度惊人地相似。重元素丰度的比率与现代宇宙中的比率非常接近，宇宙早期的这种气体云已经包含了具有现代相对化学丰度的金属，这一事实对第一代恒星的形成构成了关键挑战这项研究表明，这个系统中第一批恒星的形成肯定早得多：预期第一批恒星产生的化学产量，已经被至少另一代恒星的爆炸抹去了。
一个特殊的时间限制来自Ia型超新星，爆炸需要产生具有观察到的相对丰度金属，这样的超新星通常需要10亿年左右时间才能发生，这对第一批恒星如何形成的任何情况都造成了严重限制。现在天文学家已经发现了这种非常早期的气体云，他们正在系统地寻找更多例子。爱德华多·巴纳多斯说：在宇宙历史这么早就可以测量金属丰度和化学丰度，这是令人兴奋的，但如果想要确定第一批恒星的特征，甚至需要探索更早地宇宙历史。研究人员乐观地认为，将会发现更遥远的气体云，这可能有助于我们理解第一批恒星是如何诞生的！
博科园｜研究/来自：马克斯·普朗克学会
参考期刊《arXiv》《天体物理学》
Cite: arXiv:1903.06186
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