新研究：早期宇宙中的恒星质量甚至比太阳大10万倍

3月20日消息，一项新研究发现，早期宇宙中诞生的第一批恒星质量都要比太阳质量大几万倍，有些恒星甚至是太阳质量的10万倍，相当于目前宇宙中的1000颗最大恒星。
如今宇宙中最大的恒星质量是太阳的100倍。但研究人员发现，早期宇宙中充斥着超大质量恒星，都是太阳质量的几万倍。它们诞生得很快，寿命也很短。而且在这些巨大恒星消亡后，有利于它们再次形成的条件也不复存在。
130多亿年前的宇宙大爆炸后不久，整个宇宙中还没有恒星，几乎全是充斥着温暖中性气体的热汤，其中绝大部分是氢和氦。在长达几亿年的时间里，这些中性气体开始堆积成密度越来越大的物质团。这段时期被称为宇宙黑暗时代。
在现代宇宙中，致密物质会迅速坍缩形成恒星。这是因为现代宇宙拥有早期宇宙所缺乏的重元素。重元素可以有效将能量辐射出去，使得致密团块迅速收缩，从而触发聚变反应，将较轻元素融合成较重元素，这也是恒星的能量来源。
但宇宙中生成重元素的唯一方法也是通过同样的聚变过程。一代又一代的恒星形成、聚合又消亡，使宇宙物质逐步丰富到现在的状态。
由于氢和氦等元素不具备快速释放热量的能力，第一代恒星必须在完全不同、非常困难的条件下形成。
为了揭开第一代恒星如何形成的谜题，天体物理学家转而用计算机模拟宇宙黑暗时代的演进过程，目的是了解当时发生了什么。一些早期开展的模拟工作预测，第一批恒星质量可能是太阳的数百倍，而后来的模拟表明，它们应该是现在的正常恒星大小。
但最近天体物理学家通过模拟又发现，早期宇宙中形成的恒星要比现在大得多。今年1月份，他们通过发表在预印本数据库arXiv上的一篇论文报告了自己的发现，并提交给《皇家天文学会月报》进行同行评审。
这项新研究中的计算机模拟过程包含了所有常见的宇宙学成分：帮助星系成长的暗物质、中性气体的演化和聚集，既可以冷却气体、有时又能重新加热气体的辐射过程。但他们的研究还引入了宇宙中快速移动的冷却物质流，这种其他研究中所欠缺的所谓“冷锋”会猛烈撞击已经形成的天体结构。
研究人员发现，在第一颗恒星形成之前，存在着复杂的相互作用：中性气体开始聚集在一起；氢和氦释放出少量的热量，这使得中性气体团块的密度慢慢升高。
但高密度气体团块变得非常热，产生的辐射分解了中性气体，还阻止其分裂成许多更小的团块。这意味着由这些气体团块形成的恒星可以变得非常大。
这种辐射和中性气体之间来来回回的相互作用催生出大量中性气体，宇宙中的第一个星系就是这样形成的。原星系深处的气体先是形成快速旋转的吸积盘，也就是在大质量天体周围形成快速流动的物质环，包括现代宇宙中的黑洞都是这样的。
而在原星系的外缘，气体冷锋如雨点般落下。那些最冷的致密物质流甚至能穿透原星系，一直延伸到吸积盘。
这些冷锋猛烈撞击着吸积盘，使它们的质量和密度迅速增加到临界阈值，破坏了气体团块的稳定性，引发大量物质的瞬间坍塌，第一批恒星就这样诞生了。
第一批恒星并不像现在的太阳这种典型聚变过程。它们都是巨大的中性气体团块，聚变核心直接就被触发了，跳过了中性气体团块分裂成小块的阶段，从而使得直接坍塌形成的恒星质量非常大。
第一批恒星非常明亮，寿命极短，往往不到100万年，然后就会发生超新星爆炸。相比之下，现代宇宙中的恒星可以存活几十亿年的时间。
第一批恒星的爆炸会将内部聚变反应的产物，也就是那些比氢和氦更重的元素抛向宇宙，然后为下一批恒星的形成埋下种子。（辰辰）