巨大的恒星造就了宇宙最早的星团

这项发表在《皇家天文学会月刊》上的研究表明，这些巨大且寿命短暂的恒星在决定球状星团（GCs）的化学组成方面发挥了关键作用。球状星团是已知最古老、最神秘的恒星系统之一。球状星团是由数十万到数百万颗恒星紧密聚集而成的球状星群，几乎在每个星系中都能找到，包括我们所在的银河系。它们大多有超过100亿年的历史，这表明它们在大爆炸后不久就形成了。这些星团中的恒星具有异常的化学组成，氦、氮、氧、钠、镁、铝等元素的含量出乎意料。这些令人困惑的差异长期以来一直是天文学家的谜团，它们暗示着改变恒星原始形成气体的复杂过程，可能涉及极热的“污染物”。这项新研究扩展了现有的“惯性流入模型”理论，并将其应用于早期宇宙的极端环境中。研究人员证明，在质量最大的星团中，湍流气体流会自然形成质量为太阳1000至10000倍的超大质量恒星（EMS）。这些巨型恒星会产生强大的恒星风，其中充满了高温氢聚变的产物，随后这些物质与周围的原始气体混合，形成具有独特化学特征的恒星。“我们的模型表明，仅少数几颗超大质量恒星就能在整个星团上留下持久的化学印记，”马克·吉莱斯（ICREA-ICCUB-IEEC）解释道，“它最终将球状星团形成的物理学与我们今天观测到的化学特征联系了起来。”日内瓦大学的研究人员劳拉·拉米雷斯·加莱亚诺和科琳娜·夏博内补充道：“我们早已知道，超大质量恒星中心的核反应能够产生特定的元素丰度模式。如今，我们有了一个模型，能够解释在大质量星团中形成这些恒星的自然过程。”整个过程发生得很快——仅在100万到200万年内完成——并且发生在任何超新星爆发之前，从而避免了星团气体被超新星物质污染。这项研究结果的意义远不止于银河系。作者指出，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）观测到的富氮星系可能包含在星系演化早期阶段形成的、以超大质量恒星为主导的球状星团。“超大质量恒星可能在首批星系的形成中发挥了关键作用，”保罗·帕多安（达特茅斯学院及ICCUB-IEEC）指出，“它们的光度和化学物质产出自然地解释了我们现在通过JWST在早期宇宙中观测到的富氮原星系。”这些巨型恒星被认为在生命末期会坍缩成中等质量黑洞（质量超过100个太阳），这类黑洞或许能通过引力波被探测到。总体而言，这项研究提供了一个将恒星形成、化学丰度提升和黑洞产生联系起来的连贯解释。研究表明，超大质量恒星对首批星系的演化至关重要，它们在丰富球状星团化学组成的同时，也催生了最早的黑洞。