宇宙之初,氢和氦是唯一存在的元素。第一批恒星由这两种最轻的元素凝聚而成,后来在它们的核心经历高温高压的"炼金术",将简单的氢和氦原子"熬制"出碳、氧、镁等较重元素。这些晚期元素在恒星耗尽燃料、走向终点时被抛洒出来,混入了宇宙的物质库存。后继的恒星就是从这些富含重元素的星际物质云中一点点凝聚形成的。如此循环往复,宇宙中逐渐充满了各种各样的元素,为构建更加复杂的天体和生命打下基础。
我们今天所见的大多数恒星,包括太阳系中最显眼的那颗——太阳,都是起家于含有重金属元素的物质云。太阳有98%是氢和氦,但其余2%便是诸如铁、碳、氧等天文学家称为"金属"的元素。说到底,我们这个拥有多彩多姿生命的世界,也是宇宙演化历程中那些古老恒星的馈赠。
不过,直接观察太阳系形成之前的第一批原始恒星是无法做到的。因为它们形成的时间太早,在宇宙年龄只有几亿年的时候,现在大部分已经走向生命终点爆发或凋零了。所以我们只能寻找到它们燃烧时遗留下来的残骸和痕迹,来窥探这些太阳系的曾曾曾……祖先是个什么样子。
一个由佛罗伦萨大学天体物理学家Stefania Salvadori带领的国际研究小组,可能刚刚找到了一些线索。他们发表在《天体物理学杂志》上的一项研究中,利用欧洲南方天文台的望远镜(VLT)对三个遥远的星云进行了观测。
这三个星云距离地球数十亿光年,主要由氢、氦和其他一些轻元素组成。如果就这些star云而言,无法判断其中是否混杂了任何来自第一批恒星的重元素。不过,科学家们还利用了一个"探针",就是那些从星云背后透射过来的光线。
这些光线来自于附近的一些黑洞系统。黑洞周围的物质在坠入之前,会被加热到数百万摄氏度的高温,发出明亮的X射线等高能辐射。Salvadori团队利用VLT观测这些穿过星云之后剩余的光线,从而推测出那些恒星残骸富含碳、氧和镁等重元素,而缺乏金属元素如铁。这正是第一批恒星燃烧完毕时应该释放出的元素"指纹"。
此前也有一些线索表明,像我们银河系中最古老的恒星,其化学组成与第一批恒星的产物类似。不过,Salvadori团队首次直接观察到了遥远星系中的第一代恒星残骸。他们认为,这为研究宇宙早期演化史提供了新的视角和工具。
宇宙生命的历程,犹如一只优雅的"舞者",栩栩如生地向我们展示着"原素起舞"的千姿百态。现在,人类终于捕捉到了它最早期的第一个舞步。
要知道,从宇宙大爆炸诞生后不久,整个广阔的空间中只有最简单的氢和氦两种元素存在。别的元素都还在"休舞"状态,还没有被"召唤"上场。后来,它们首先以两三个为伍,在恒星的内部经历了亿万年的"熔炼" ,逐步化出了较重的产物,如碳、氧、铝等。这就是宇宙中第一个"原素之舞"。
不过第一代舞者的寿命实在太短暂了,等不到它们将钢铁之类的金属元素也"跳"出来,就已燃尽生命之火。所以,我们如今发现的第一批恒星残骸中,重元素主要是碳、氧、镁等,但很少有铁。当第一代舞者们的产物被抛洒出去,混入下一代恒星的原料时,后者就开始绽放出更加精彩、热烈的"舞姿"。它们利用了上一代的馈赠,又铸就出更多种类的重元素,包括钢铁等金属。
如此循环往复,宇宙中的元素种类越来越丰富,场景也越加华丽多彩。后来的恒星像一个个杰出的舞蹈家,把各种复杂的元素"舞出"来,使物质世界绚丽多姿。直到我们所处的这个时代,宇宙中已经凝聚出足够多的元素,才有了诸如地球这样丰富多彩的天体,并最终孕育出生命这种奇迹。所以说,我们赖以存在的一切,都是宇宙"原素舞"万年积累的结果。而现在,人类终于能亲眼目睹这场宏大演绎的最早起源了。
VLT是目前世界上最先进的光学/红外天文观测设备之一。它建于智利北部的阿塔卡马沙漠,由4台主镜直径8.2米的主反射镜加上4台辅助镜组成。通过将来自各个镜面的光线合成,VLT可实现相当于一面直径16米的"超大眼睛"。在这次观测中,它捕捉到了遥远星系中第一代恒星残骸发出的微弱光线。
天文学几乎是人类最古老的一门科学,只要仰望星空就可以研究。我们对宇宙的认识,一直在随着不断更新换代的观测设备而不断深入。在夜空中看到的每一个星星,其实都是宇宙演化史的一个侧影。现在我们终于捕捉到了这部宏大史诗最早的画面,这对于认识宇宙的起源、理解元素和生命的诞生都具有重大意义。今后,随着更多古老天体的发现和研究,必将让我们对这场13.8亿年的宏大交响乐有更多的了解和领悟。
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