第一批星星是什么样的？

简短的回答：我们真的不知道。

大爆炸后四十万年，宇宙是氢原子和氦原子的冷雾。不到4亿年后，它开始闪耀着婴儿星系的光芒。在两者之间的某个时候，第一批恒星一定已经形成。

这些星星是由什么组成的？它们有多大，有多亮？他们活了多久，他们死后发生了什么？还有吗？

事实是，没有人真正知道第一批恒星到底是什么样子的。即使是今天运行的最强大的望远镜 ——像哈勃、斯皮策和钱德拉这样的太空望远镜，以及像凯克和ALMA这样的地面望远镜——也都无法探测到它们。但我们确实有一些想法。

宇宙的时间轴虽然我们不确定第一批恒星何时开始发光，但我们知道它们一定是在重组时代之后的某个时候形成的，当时氢原子和氦原子形成（大爆炸后38万年），以及已知最古老的星系存在之前（大爆炸后4亿年）。第一批恒星发出的紫外线将充满宇宙的中性氢气分解成氢离子和自由电子，开启了再电离时代和宇宙黑暗时代的结束。图片来源：STScI 在资源库中获取完整的“通过时间”信息图

第一批星星是由什么组成的？

简短的回答：氢和氦（以及少量的锂）。就是这样。

天文学家知道，第一批恒星，正式名称为第三星族恒星，必须几乎完全由氢和氦组成 – 这些元素是大爆炸直接结果形成的。它们不会含有今天闪耀的恒星中发现的碳，氮，氧和铁等较重的元素。換句話說，第三星族的恆星是無金屬的。（天文学家将任何比氦重的元素称为金属。

这似乎是一个大胆的声明，因为我们实际上没有观察到任何无金属恒星。但与所有科学主张一样，它是基于证据和推理的：我们从观察，实验和计算中知道，只有氢和氦（以及微量的锂）是在大爆炸后直接形成的。碳，氧和铁等较重元素形成的唯一方法是在恒星核心中融合较轻的元素。因此，在第一批恒星开始形成它们之前，宇宙中不存在这些元素。第一批恒星一定是无金属的。

第一批恒星的组成第一代恒星，也被称为第三星族恒星，几乎完全由氢和氦组成。後代恆星，包括太陽，含有更重的元素，如氧，碳和鐵，這些元素在早期恆星的核心中形成。图片来源：STScI 在资源库中获取完整的构图信息图

古代恒星，但不是最早的恒星之一有史以来观测到的最古老的已知恒星之一是银河系中的一颗次巨星，距离地球只有190光年。这颗恒星被称为HD 140283或玛土撒拉星，看起来几乎和宇宙一样古老。然而，我们知道它不是最早的恒星之一，因为它含有一定在核心或更早恒星爆炸期间形成的金属。图片来源：数字化巡天（DSS），STScI / AURA，Palomar / Caltech和UKSTU / AAO

第一批恒星有多大？

简短的回答：可能真的很大，但也许不是。

虽然天文学家非常确定第一批恒星是由什么组成的，但他们不太确定它们的质量有多大。

奇怪的是，对无金属恒星质量的一个限制来自我们没有看到的东西：因为我们没有观察到任何无金属恒星，所以我们相当肯定不可能有很多小恒星。像太阳这样的小恒星可以持续数十亿年。如果小的III族恒星很常见，我们现在应该已经检测到一些了。

另一方面，非常大的恒星会非常迅速地燃烧它们的燃料。一颗质量是太阳质量60倍的恒星持续不到一百万年。如果所有第一代恒星都质量极高，那么没有一颗恒星仍然存在，而且我们没有看到任何恒星是有道理的。

第一颗恒星的质量第一批恒星的质量可能是太阳的数十到数百倍，但可能比这小得多。图片来源：STScI 在资源库中获取完整的大众信息图

第一批恒星的寿命一颗质量是太阳质量60倍的恒星将在不到一百万年的时间里发光。如果第一批恒星都这么大，它们早就烧坏了。图片来源：STScI 在资源库中获取完整的生命周期信息图

第一批恒星大小的其他证据来自计算机模型，这些模型模拟了氢，氦和暗物质的大云如何冷却和坍缩以形成早期宇宙中的恒星。这些模拟还表明，形成一颗无金属恒星比一颗含有少量金属的恒星需要更多的物质。再加上我们没有看到任何无金属恒星的事实，这导致许多天文学家认为第一批恒星可能非常大，范围可能是太阳质量的10到300倍。

第一批恒星有多热和多亮？

简短的回答：可能比太阳更热，更亮。

恆星的溫度和亮度與它的質量直接相關：恆星的質量越大，它就越熱，越亮。如果第一批恒星非常大，它们也一定非常热和明亮。例如，一颗质量是太阳质量100倍的恒星，其表面温度约为100，000开尔文，并以100万太阳的能量闪耀。

第一颗恒星的温度，亮度和颜色大质量星族III恒星可能高达100，000开尔文 – 比太阳热90，000多度。任何物体的温度越高，它发出的电磁辐射（光）就越多，辐射的能量就越高。第三星族的恒星会比太阳亮得多，主要发出高能紫外线而不是可见光。图片来源：STScI 在资源库中获取完整的温度和亮度信息图

如果第一批恒星这么热，它们一定散发出了大量的高能辐射。虽然太阳在电磁波谱的光学部分（我们都熟悉的可见光）中发射大部分能量，但温度为100，000开尔文的恒星发出的几乎所有光都将以紫外线的形式存在，这是人眼不可见的。天文学家认为，正是第一批恒星发出的紫外线辐射开始使宇宙电离，解除了在所谓的黑暗时代充满宇宙的不透明中性氢的迷雾。

第一批恒星的光电离紫外线是电离辐射的一种。它具有将电子从原子核中分离出来的能力，将中性原子转化为称为离子的带电粒子。来自第一批恒星的紫外线被氢原子吸收，导致它们被电离。图片来源：STScI 在资源库中获取完整的电离信息图

第一批恒星怎么了？

简短的回答：它们烧毁了，爆炸了，或者坍塌了。

根据我们对物理学的了解，我们知道，如果任何一颗最早的恒星小于太阳质量的0.9倍，它们今天应该仍然闪耀。但是，如果它们非常庞大，它们的寿命将非常短，很快就会燃烧掉燃料，并在形成后的几百万年内死亡。究竟发生在他们身上的事情将取决于他们的质量。

计算机模型显示，质量大于10倍且质量小于太阳140倍的恒星将以超新星爆炸结束，超新星爆炸中形成的金属被吹出并分散到周围的宇宙中。这些恒星的残骸会坍缩形成中子星或黑洞。

较大的无金属恒星，高达约300太阳质量，可能在一种奇怪的超新星中爆炸。这些爆炸会把恒星的每一点都炸向各个方向，不留下任何东西——没有中子星或黑洞。这些恒星的唯一迹象可以在后来的恒星的化学成分中找到，这些恒星是由它们爆炸的遗骸形成的。

甚至更大的无金属恒星也会直接坍缩形成黑洞，带走一切，甚至没有先爆炸。虽然这些恒星不会为形成新恒星贡献物质，但它们可能以其他方式影响了星系。这些黑洞可能是今天在星系中心发现的超大质量黑洞的种子。

最近一颗超新星的遗迹许多最早的恒星会在大质量超新星爆炸中结束生命。这些恒星的尘土飞扬的残骸，包括在它们核心形成的金属，将成为我们今天看到的恒星的基石。这张照片显示了来自W49B的X射线，红外线和无线电波，W49B是大约26，000光年外的一颗年轻的超新星遗迹。图片来源：X射线：NASA/CXC/MIT/L.Lopez等人;红外线：帕洛玛;电台：NSF/NRAO/VLA

我们能直接看到第一颗星星吗？

简短的回答：也许，如果我们很幸运的话。

到目前为止，我们对第一批恒星的唯一真正证据是它们留下的轨迹：它们在后来的恒星中看到的金属;它们的电离辐射对宇宙中原始气体的影响;也许还有它们的残余黑洞。如果第一批恒星是巨大的和短暂的，那么附近存在的任何恒星早已消失。

即使它们不再存在，理论上仍然有可能看到它们。像哈勃望远镜这样的望远镜使我们能够看到数十亿光年之外，从而看到数十亿年前的时间。詹姆斯·韦伯太空望远镜给我们带来了能够探测到更暗的红外光的优势。虽然第一批大质量恒星发出的大部分光在发射时都处于光谱的紫外线部分，但从那时起，宇宙已经膨胀了很多，其中大部分现在都在可见光和红外线中。（哈勃望远镜也覆盖了这部分光谱，但韦伯的镜子要大得多，这使得它能够探测到低得多的光水平。

第一批恒星的红移自从第一批恒星在134亿多年前形成以来，它们的光线随着空间的膨胀而延伸，随着时间的推移变得越来越暗和变红。詹姆斯·韦伯太空望远镜旨在探测电磁波谱的红色和红外部分非常暗淡的光。图片来源：STScI 在资源库中获取全波长信息图
但是，尽管韦伯很强大，但仍然很难看到那么久远的个别恒星。虽然这些恒星非常明亮，但它们离得很远，以至于它们真正到达我们的光很少。

我们几乎肯定能够看到包含第一代恒星的古代星系，并且能够从来自整个星系的光线中对单个恒星做出一些推断。但星系包含数十万到数百万颗恒星，每颗恒星在其生命周期的不同阶段。即使一些恒星是无金属的，新的恒星也会开始从散布在银河系中的金属星尘中形成。

使事情变得更加困难的是，当第一批恒星形成时，充满宇宙的中性氢气雾会吸收它们的紫外线。在紫外线辐射电离到足够的原子以允许光线通过之前，我们对第一批恒星的视野将被阻挡。

即便如此，我们也可能很幸运。在強大引力透镜的幫助下，我們或許能夠看到每顆恆星：一顆星系，在天空中正確的位置形成一個天然的放大鏡。也许我们会在III族恒星生命的尽头捕捉到它的明亮爆炸。也许一些最早的恒星非常小，仍然闪闪发光，在附近的星系中可见 – 甚至可能在我们自己的银河系中。

古代星系哈勃太空望遠鏡在133億年前存在的銀河SPT0615-JD可能包含一些在宇宙中形成的第一代恆星。这个小而遥远的星系之所以如此详细地可见，是因为它被一组更近的星系团的引力效应放大了。天文学家认为，引力透镜可能使我们有可能直接使用詹姆斯韦伯太空望远镜观测一些最早的星团。图片来源：NASA、ESA和B. Salmon（STScI）

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