互动科普

我们生活在一个到处都有明亮天体的宇宙中。在晴朗的夜晚，仅凭肉眼我们便可以看见数千颗星星，而这些行星仅是位于地球近邻的银河系恒星中的极小一部分。通过望远镜，天文学家观察到广袤得多的宇宙空间里有数以十亿计的星系在闪闪发光。然而，根据我们现在对宇宙学的了解，我们知道宇宙在其早期的很长一段时间中是个平淡无奇、一团漆黑的世界。宇宙中最早的一批恒星大概在大爆炸之后1亿年左右才粉墨登场；又过了将近10亿年后星系才开始在宇宙中到处涌现。很久以来天文学家一直在思索这样一个问题：这一从黑暗到光明的急剧转变是如何发生的呢？

经过数十年探索后，致力于解开这一谜团的研究人员不久前取得了若干重大的进展。利用最先进的计算机模拟技术，宇宙学家已经建立起了一些新颖的模型，这些模型能展示大爆炸遗留下的密度涨落是如何演变成第一批恒星的。此外，借助于对遥远类星体的观测．科学家能够顺着时间的倒流探索往昔的历史，从而得以一瞥“宇宙黑暗时期”最后岁月的“庐山真面目”。

新的模型揭示，最初的恒星极有可能是质量极大且极为明亮，这批恒星的形成是一个划时代的事件，它从根本上改变了宇宙及其此后的发展进程。通过加热并电离周围的气体，这些恒星也使宇宙的动力学特性大为改观。最早的恒星还合成出第一批重元素并使其分散到宇宙空间中，从而为我们太阳系这样一类恒星系统的最终登台铺平了道路。此外，首批恒星中部分恒星的坍缩可能为超大质量黑洞的崛起播下了种子，这类黑洞在星系的核心区域形成，科学家认为它们就是类星体那令人瞠目的能量的来源。一言以蔽之，正是有了这些最初的恒星，我们今天所见到的宇宙一一包括从星系和类星体一直到行星乃至人类等所有这一切——才得以最终问世。

黑暗时期

对早期宇宙的研究所遇到的障碍之一是无法对它进行直接观测。为此，科学家把望远镜指向了遥远的星系和类星体。由于这些星系和类星体的光是几十亿年前发出的，因此科学家得以通过观测它们而考察宇宙的很大一部分历史。每个天体的年龄可以根据它所发的光的红移量来确定，此红移显示了自光发以后宇宙膨胀了多少。至今观测到的最老的星系和类星体，其诞生时期大致在大爆炸以后10亿年(假定宇宙现今的年龄为120亿到140亿年)。为了观测比诞生时期更早更遥远天体，研究人员需要性能更好的望远镜。

不过宇宙学家可以根据宇宙微波背景辐射资料来推断早期宇宙的状况(宇宙微波背景辐射是在大爆炸之后约40万年的时间里发射出来的)。这种辐射的分布相当均匀，表明当时物质的分布极为平滑。由于不存在大尺度发光天体来扰乱宇宙的“原始汤”，因此它必定在此后数百万年的时间里一直保持这种平滑而无特征的状态。随着宇宙的不断膨胀，微波背景辐射逐渐红移到越来越长的波长上，而宇宙却变得越来越冷，越来越暗天文学家并没有直接观测到这一黑暗时期但是在大爆炸之后l0亿年左右，一些明亮的星系和类星体已经出现，因此最早的恒星必定形成于它们之前。那么，这些在宇宙中最先亮相的发光天体是何时登场，又是怎么形成的呢？

许多天体物理学家一一包括剑桥大学的Martin Rees和哈佛大学的Abraham Loeb——已经为解答这些问题做出了重要的贡献。新近的研究从标准的宇宙学模型入手，这些模型描述宇宙在大爆炸之后的演化。虽然早期宇宙是非常平滑的，但微波背景辐射却证明那时的宇宙中仍然存在一些小尺度的密度涨落，也就是原始汤中有一些团块。宇宙学模型预测这些团块将逐渐演变成靠引力结合在一起的结构。首先是形成一些较小的系统，然后这些较小的系统又合并成较大的聚集体。这些密度较大的区域形成一张丝状网，而最初的恒星形成系统——小的原星系——就在这一网络的结点处凝聚出来。类似地，原星系接着又互相合并而形成星系，星系则进一步合并成星系团。这一过程目前仍在继续进行：虽然星系的形成现在已经基本上宣告结束，但星系却仍在结合成星系团，而星系团则在进一步聚集成一个跨越整个宇宙的巨大的丝状网络。

根据宇宙学模型，第一批能够形成恒星的小系统应该在大爆炸之后约1亿到25亿年间悄然露面。这些原星系的质量在10万到100万太阳质量之间，直径约为30到100光年。这些特性与目前银河系中正在形成恒星的分子气体云的特性相似，但是最早的原星系与现今的分子气体云存在若干根本的差异。例如，原星系的主要成份应该是暗物质。暗物质是科学家推测存在的一类基本粒子，据信它们的质量占了宇宙总质量的90％左右。在现今的大尺度星系中，暗物质与常物质是分离开来的：随着时间的推移，常物质逐渐集中到星系的内部区域，而暗物质则仍然分散在星系庞大的外部晕区中，但在原星系中常物质仍与暗物质混在一起。

第二点重要的差别是，在原星系中，除了氢和氦之外，其他任何元素的含量都是微不足道的。大爆炸产生出氢和氦，但大多数更重要的元素只能通过热核聚变反应在恒星中形成；因此，在首批恒星问世之前，这些重元素是不存在的。天文学家把这些较重的元素统统称为“金属”。银河系中那些年轻的富金属恒星称为I族恒星，而老年的贫金属星则属于Ⅱ族恒星。按照这一命名规则，完全不含金属的恒星一一也就是第一代恒星——有时就被称为Ⅲ族恒星。

最初一批恒星形成系统既然完全不含金属．其物理特性理应比现今的分子气体云简单得多。此外，宇宙学模型原则上能够完整地描述第一代恒星出现之前的初始条件。反观现今的分子气体云，它们所形成的恒星是在相当复杂的环境中诞生的，因为先前的恒星形成过程的各种效应已使其环境大为改观。这样科学家们可能觉得模拟第一代恒星的形成要比模拟现今恒星的形成过程容易。总之这个问题对于理论研究来说是一个颇有吸引力的问题；若干研究小组已经运用计算机模拟的方法描绘了最初一批恒星的形成过程。

由Tom Abel，Greg Bryan和Michael L．Norman所组成的研究小组进行的模拟最为逼真(这二位目前分别在宾夕法尼亚州立大学、麻省理工学院以及圣迭戈加利福尼亚大学)。本文作者所进行的模拟研究是与耶鲁大学的Paolo Coppi合作完成的。我们采用较简单的假设，意在探索更为广泛的各种可能性。目前在日本大坂大学的钓部通借助功能更强大的计算机进行了类似的计算，现在分别在日本新泻大学和筑波大学的中村文隆和梅村雅之则进行了更为理想化的模拟，但仍然取得了富有启发性的结果。虽然这些研究在细节上各有千秋，但对于最早的恒星是如何形成的这个问题，却全都给出了大同小异的描述。

光明降临！

这些模拟表明，原始的气体云通常在一个小尺度丝状网的结点处形成，然后由于引力的作用而开始收缩。气体云受到压缩后变热，温度上升到1000K(开氏度)以上。在这种稠密的炽热气体中，部分氢原子将结合成对，从而形成痕量的氢分子。接着这些氢分子在与氢原子碰撞后发出红外辐射，使气体云中密度最大的区域开始冷却。这些区域的温度将降到200—300K，它们的气体压力也随之降低，从而使它们能够收缩成一些靠引力结合在一起的团块。

这一冷却过程起着一种至关重要的作用一一它使原始系统中的通常物质能够与暗物质分离开来。逐渐冷却的氢聚集成一种扁平的旋转结构，呈团块和丝状的特征，或许有点像个圆盘。而构成暗物质的粒子由于既不发出辐射也不丧失能量，因此仍旧散布在整个原始云之中。这样，恒星形成系统就开始呈现出一个微型星系的模样来了，有一个由常物质构成的盘和一个由暗物质构成的晕圈。在盘的内部，密度最大的气体团块将继续收缩，其中一部分最终将发生猛烈的加速坍缩而变成恒星。

最初的恒星形成团块比作为现今大多数恒星诞生摇篮的分子气体云要热得多含重元素的尘粒和分子具有高得多的冷却效率，使现今气体云的温度很快降到只有10K左右。为了在引力作用下发生坍缩，一团气体必须具备某一最低质量，这个临界质量称为“琼斯质量”(Jeans mass)，它与气体温度的平方成正比，而与气体压力的平方根成反比。首批恒星形成系统的压力，同现今的分子气体云的压力差不多。但由于首批坍缩气体团块的温度比现今分子气体云的温度高出近30倍，因此其琼斯质量也要大几乎1000倍。

在银河系内邻近地球的区域，气体分子云的琼斯质量大致等于太阳的质量，而在这些分子云中观测到的前恒星团块的质量基本上也是这一量级。如果我们按照将近1000倍的比例来放大，我们就可以估计出最初的恒星形成团块其质量应为500~1000倍的太阳质量。本文前面提到的所有计算机模拟，其结果都是形成了具有几百个太阳质量乃至更大质量的团块，与上述估计基本上吻合。

我们的研究小组的计算结果表明，第一批恒星形成团块的预测质量与假设的各种宇宙学条件(例如初始密度涨落的确切性质)没有很大关系。事实上，预测质量主要取决于氢分子的物理特性，而宇宙学模型及模拟方法对预测结果的影响只占次要地位。原因之一在于，分子氢无法使气体冷却到200K以下，这样200K就成了第一批恒星形成团块的温度下限。另外一项原因则是，当恒星形成团块开始坍缩时，随着密度的增大，分子氢冷却的效果就要大打折扣了。在较高的密度下，分子氢还没有来得及发射出红外光子便与其他原子发生了碰撞；这一过程使气体的温度升高，而使恒星形成团块的收缩放慢，其结果是这些团块必须在增大到至少几百个太阳质量后才会开始加速收缩。

最初的坍缩团块其最终命运如何呢？它们究竟是形成一些其质量同坍缩团块差不多的恒星，还是分裂成许多较小的部分，从而形成许多较小的恒星呢？为了回答这个问题，多个研究小组将他们的计算外推到坍缩团块能够很好地形成恒星的位置。结果发现，至今还没有一项模拟显示出坍缩团块有分裂的倾向。这项结果与我们对现今的恒星形成过程的认识相吻合。观测与模拟均表明，恒星形成团块的分裂通常仅发生于形成双星系统(即两颗恒星彼此供对方旋转)这种情况。在原始气体团块中，发生分裂的可能性看来更是微乎其微，因为分子氢冷却的效果之差使得琼斯质量的值相当高。不过，模拟研究尚未完全有把握地确定坍缩的最终结果；形成双星系统的可能性尚不能排除。

对于最初的恒星质量可能有多大，不同的研究小组得出了多少有些不同的估计值。Abel，Bryan和Norman认为，第一批恒星的质量可能不超过300个太阳质量。我们自己的研究结果表明，这些恒星的质量有可能高达1000个太阳质量。或许这两项估计都是正确的，只是适用于不同的场合：那些真正最先形成的恒星的质量可能不超过300个太阳质量，但稍后一些由更大的原星系坍缩而成的恒星就完全可能达到更高的质量。由于反馈效应的影响，定量预测的难度较大。当一颗大质量恒星形成时，它将向外发出强烈的辐射与物质流，从而吹散坍缩云团中的一部分气体。但是这类效应在很大程度上取决于气体中是否存在重元素，因此，对于最早的恒星来说，这些效应的影响应该说不是那么重要。这样我们似乎可以颇有把握地断定，宇宙中最初的恒星通常比太阳重许多倍，而且也比太阳亮许多倍。

宇宙复兴

这些最早的恒量对于它们以外的宇宙产生了什么样的影响呢？不含金属的恒星有一个重要特性，那就是它们的表面温度高于其成份与太阳相似的恒星的表面温度。在没有金属的情况下，恒星中心的热核反应产生能量的效率便比较低，因此恒星就必须更热，更密实才能产生出足以抵消引力的能量。由于这种恒星的结构较密实，因而其表面层也将更热。本文作者之一（Bromm）与夏威夷大学的Peter Kudritzki以及哈佛大学的Abraham Loeb合作，构筑了其质量在100到1000个太阳质量之间的这类恒星的理论模型。这些模型显示，此类恒星的表面温度为10万K左右，相当于太阳表面温度的17倍之多。因此，宇宙中最初的星光主要是极热恒星发出的紫外辐射；在这些恒星形成之后不久，紫外辐射便开始加热它们周围的中性氢与中性氨的气体并使其电离。

我们称这一事件为“宇宙复兴”(cosmic renaissance)。虽然天文学家尚无法估计宇宙中有多少气体凝聚成了最初的恒星，但即使只有十万分之一的气体凝聚成恒星，这些恒星发出的辐射也足以使剩下的气体中的很大一部分发生电离了。一旦最初形成的恒星开始发光，每个恒星周围就会出现一个不断增大的电离气体泡。随着越来越多的恒星在长达数亿年的时间里陆续问世，这些电离气体泡最终将融合起来连成一片，而星系际气体则将成为完全被电离的气体。

加州理工学院及Sloan数字巡天项目(Sloan Digital Sky Survey)的科学家最近发现了这一电离过程的最后阶段的证据。他们在大爆炸之后约9亿年的类星体的光谱中观察到了对紫外线的强烈吸收。这一观测结果表明，残存的最后一些中性氢气区当时正在被电离。电离氦气所需的能量比电离氢气所需的能量要多，但如果最初的恒星其质量之大符合研究人员的预测，则它们在使氢电离的同时也会使氦电离。另一方面，如果最初恒星的质量不够大，那么氦就必定是在后来由类星体这样的辐射源所发出的高能辐射所电离。将来对遥远天体的进一步观测或许有助于确定宇宙中的氦究竟是何时被电离的。

如果最初的恒星的确质量极大，则它们的寿命也将比较短，不过区区几百万年左右。这些恒星中有一部分在其寿终正寝之时将会成为超新星而猛烈爆炸，把它们通过热核反应合成出的金属抛到宇宙空间中去。天文学家预计，质量在100到250个太阳质量之间的恒星在这样的高能爆炸中将被炸得粉身碎骨，烟消云散，而某些最早的恒星其质量极有可能就在这一范围内。与氢相比，金属使生成恒星的云团冷却并让它们坍缩成恒星的效率要高得多，因此，即使只有少量金属被合成出来并抛到宇宙空间中，也会对恒星形成的进程产生重大的影响。

本文作者在与意大利佛罗伦萨大学的Andrea Ferrara进行合作研究时发现，当恒星形成云团中金属的丰度超过太阳中金属丰度的千分之一时，金属便会很快地使气体冷却到宇宙背景辐射的温度。(这一温度随着宇宙的膨胀而逐渐下降，在大爆炸之后10亿年时降到19K，现在刚降到了2．7K。)这种高效的冷却使质量较小的恒星得以形成，同时也可能大大加快了总的恒星形成速率。事实上，情况有可能是，只有在第一批金属被合成出来之后，恒星形成的速率才开始加快。如果真是如此，那幺第二代恒星或许就是照亮整个宇宙并推动宇宙复兴的主要力量。

在这一恒星形成的旺盛期之初，宇宙背景辐射的温度高于现今分子云的温度(10K)。大约到大爆炸之后的20亿年的时候，宇宙背景辐射温度才降至10K。而在此之前，大质量恒星可能仍是恒星形成过程的主流。其结果是，在原星系通过接二连三的合并而形成星系的早期阶段，可能诞生了许许多多这样的大质量恒星。现代宇宙中也可能发生类似的现象，即两个星系在互相碰撞时可能引发恒星突增，即恒星形成速率突然加快。这类事件现在已相当罕见，但有迹象表明它们有可能产生数量比较多的大质量恒星。

难解之谜

关于早期恒星形成的假说或许有助于解释现今宇宙的某些令人费解的特征。一个悬而未决的问题是，如果金属合成的速率与恒星形成的速率成比例的话，那么星系中贫金属恒星的数量应当高于现今现测到的数量。但假若早期的恒星形成过程产生了更多的大质量恒星，那么这个矛盾就可以迎刃而解。这些大质量恒星在死亡时将把大量金属抛到宇宙空间中，而这些金属随后就被我们现今观测到的绝大部分低质量恒星所吸收。

还有一个令人百思不得其解的问题是，星系团中发射X射线的炽热星系际气体其金属丰度很高。如果我们认识到宇宙早期曾经有许多大质量恒星迅速形成，从而导致超新星频繁爆发，使星系际气体的化学元素浓度大大增高的话，那么要解释这一观测结果就再容易不过了。最近的观测证据表明，宇宙中的常物质与金属绝大部分存在于弥漫的星系际介质中而不是存在于星系中，这一结果与宇宙早期超新星曾频繁爆发的看法是相吻合的。为了使物质产生主要聚集于星系际气体这样一种分布形式，星系的形成必定是一个极为壮观的过程，也就是许多大质量恒星在短时间内如雨后春笋般接连诞生，而超新星爆发则此起彼伏，把大部分气体和金属驱赶到星系外面去。

质量超过250个太阳质量的恒星在其生命终结之时并不是通过猛烈的爆炸化为灰烬，而是坍缩成质量与其相近的黑洞。上面提到的几项计算机模拟中，就预测了有一部分最初的恒星具有这样大的质量。由于最初的恒星是在宇宙密度最大的区域中形成的，因此它们坍缩后所形成的黑洞必定会通过接二连三的合并而被吸收到越来越大的系统中去。有可能出现这样一种情况：一部分这类黑洞逐渐集中于大星系的内部区域，成为今天天文学家在星系核中观测到的超大质量黑洞——相当于数百万个太阳质量——成长起来的种子。

此外，天文学家们还认为，类星体的能源来自于被吸进大尺度星系中心的黑洞的气体。如果在一部分最初的原星系的中心曾形成过较小的黑洞，那么这些黑洞在不断吸积物质之后就可能产生出“微型类星体”(mini quasars)。这类天体有可能紧跟在最初的恒星之后露面，因此它们将成为宇宙早期的又一光源和电离辐射源。

这样我们就得到了描述宇宙早期历史的一幅连贯的图景，尽管其中某些部分仍然带有猜测的性质。最初批恒星和原星系的形成触发了一个宇宙演化进程。许多证据表明，恒星形成、星系建造以及类星体活动等等最强烈的时期，出现在大爆炸之后数十亿年，此后这些活动一直持续下来，但随着宇宙年龄的增大面不断减弱。宇宙结构建造工作的重点现在已经转移到了更大的尺度上，也就是星系聚集成星系团。

研究人员希望在未来的几年中进一步掌握有关宇宙在最小尺度上形成结构的早期阶段的更多情况。由于最初的恒星十有八九可能是质量极大，而且极为明亮，诸如下一代太空望远镜(Next Generation Space Telescope，计划取代哈勃太空望远镜的最新型望远镜)之类的仪器有可能探测到这些古老天体的部分成员。到那时，天文学家或许能够直接观测到一个暗黑而平淡无奇的宇宙是如何演变成今天带给我们光明和生命的绚丽多采的灿烂天体的。

【邱汉生／译 曾少立／校】