恒星中的“利维坦”：比10万个太阳都大

发布者：拔剑长空 2023-3-26 17:28

宇宙首批恒星单个质量可达太阳10万倍。

距离今天最近的宇宙“相变”期——“再电离期”模拟图。Paul Geil / Simon Mutch / 墨尔本大学

宇宙诞生后经历过多次“相变”。炽热的原初物质逐渐冷却，导致每一时期的物理学特性都有差异，就像物质形态在不同温度条件下发生的变化一样。

而在年轻宇宙的最后一次“相变”期——“再电离”期内，年轻宇宙中曾经出现过超级巨大的恒星。这些巨星隶属于宇宙诞生后出现的第一批恒星。今天的宇宙中已经不存在这样的超级巨星，到目前为止我们也未曾间接地发现过这样的恒星。所以天文学家对于它们的质量究竟可以达到多大众说纷纭。

最流行的说法是它们的质量一般是太阳的几百倍，也有人说它们和现代恒星相差无几。但最新的计算机模拟结果让人感到吃惊，这些巨无霸的质量可达太阳的10万倍。

恒星由气体云蜕变而来。气体云要变成恒星，必须在很小的空间内迅速聚集起大量质量，直至越过核聚变的临界点。但这一过程会不可避免地导致物质升温，温度一旦升高，粒子的运动加速，物质就会趋向于阻止自身继续坍缩。因此假如没有“散热”机制，气体云就会很快被自身产生的热量驱散，最终无法变成恒星。

在恒星诞生过程中，有一种所谓的“冷吸积”效应十分关键。囿于技术的局限，以往较少在计算机模拟中考虑这一效应并加以跟踪。而新的模拟考虑了这一效应，并对早期宇宙低温云团形成之初行为方式的细节进行了深入考察。

新结果显示，早期宇宙巨型物质团块中心的吸积盘，会遭受低温致密物质流的大规模冲击，这种冲击形成的冲击波，会导致气团失去稳定并急速坍缩。

早期宇宙巨型物质团块的质量一般可达太阳的数万倍，在某些情况下甚至可以达到太阳的10万倍，因此它们一旦坍缩，几乎都可以迅速形成超大质量恒星。

恒星在宇宙中的演化已经进行了三代。这三代恒星的特性因其形成时期宇宙物理特性的差异而有所不同。第一代恒星又称III族恒星，它们质量巨大，几乎不包含任何比氢和氦重的“金属元素”，最为“纯洁”。这代恒星迅速形成，迅速燃烧，也迅速死去。

第二代恒星又称II族恒星，是在第一代恒星的废墟上形成的，它们含有比第一代多的“金属元素”（质量占比在0.1%以下）。第三代恒星又称I族恒星，它们又是在第二代恒星的废墟上出现的。它们的体内含有大约1%的“金属元素”。我们的太阳即属于第三代恒星。

参考
First emergence of cold accretion and supermassive star formation in the early universe
https://arxiv.org/abs/2301.10263