138億年前，宇宙誕生之初，大爆炸產生了大量的氫、氦和極其微量的鋰，于是在這樣的環境下誕生了我們宇宙中的第一代恒星，并且第一次點亮了整個宇宙。

2005年Science雜志創刊125周年之際公布了125個最具挑戰性的科學問題，第一代恒星就榜上有名。而時至今日，第一代恒星的性質依然是亟待解決的重要科學問題，甚至位列詹姆斯·韋布空間望遠鏡的關鍵科學目標之一。

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第一代恒星究竟長什么樣？傳說它們有可能個頭很大、體重很沉，但究竟能有多大？五十個太陽？還是一百個太陽？這些問題困擾了天文學家許多年。

然而，就在不久前的2023年6月7日，國際學術期刊Nature在線發表了中國天文學家領導的一項重要發現，他們首次在銀河系中發現了第一代超大質量恒星死亡后留下的遺跡，證實這一遺跡源自于一顆對不穩定超新星（pair-instability supernova，簡稱PISN）。也就是說，這顆第一代恒星的質量高達太陽的260倍！是一顆名副其實的超大質量恒星。

助力中國天文學家完成這項重大發現的得力干將之一，就是我國自主創新研制的LAMOST望遠鏡，也稱作郭守敬望遠鏡。LAMOST突破了望遠鏡大口徑與大視場難以兼得的技術瓶頸，是目前世界上口徑最大的大視場望遠鏡，同時也完成了世界上首個發布銀河系恒星光譜數突破千萬的巡天項目。

圍繞銀河系結構與演化、多波段天體交叉證認、星系物理三大核心科學目標，LAMOST已經順利完成了為期五年的一期光譜巡天，而二期巡天也即將完美收官。在最新發布的第10次數據發布中，LAMOST獲得的光譜數據量已經達到了世界上其他巡天望遠鏡發布光譜數總和的2.9倍！利用如此豐富的海量觀測數據，國內外天文學家已經在銀河系研究、恒星物理及特殊天體搜尋等領域取得了許多有趣而重要的科學發現。比如：揭秘銀河系童年的成長歷程、發現最大質量恒星級黑洞、在銀河系中追蹤星系際移民恒星、改寫恒星初始質量函數等等，都是具有國際影響力的重要突破。

星空示意圖，圖片來自圖蟲網

再讓我們說回第一代恒星。這些始祖恒星大多個頭龐大、明亮奪目，但卻極其短壽。加上現有觀測能力的限制，今天的我們暫時無法直接看到第一代恒星。那么這次的發現是如何完成的呢？第一代恒星在成長過程中會合成制造一些比鋰更重的金屬元素，并且在結束其短暫一生的同時，通過超新星爆發將其制造的各種金屬元素噴射并埋藏在它們周圍的星際塵埃當中。

在這些塵埃中孕育了第二代恒星，它們的表層大氣中完美的保留了第一代恒星的性質，并且壽命足夠長，能夠存活到今天、被我們看到。換句話說，它們就相當于宇宙化石，通過發掘這些化石恒星，并且分析它們的性質和成分，我們就能夠反推其形成時期的環境，重現第一代恒星的模樣。由于這些化石恒星非常稀有，因此LAMOST提供的海量數據也為這次成功發現提供了至關重要的“海選”數據庫。

這次，我們不僅成功確認了迄今為止質量最大的第一代恒星——一個體重超過太陽260倍的“大胖子”，同時也第一次證實了一種特殊超新星的存在。通常小于100倍太陽質量的第一代恒星都以核坍縮型超新星爆發的形式結束生命；而介于140-260倍太陽質量的第一代恒星，其核心處產生的正負電子對會減弱恒星內部的輻射壓力，并導致恒星坍縮形成對不穩定超新星。在此之前，對不穩定超新星就像個傳說，只聽聞于理論。而這一次，我們中國天文學家終于實錘了它的存在。

未來，在LAMOST和中國空間站工程巡天望遠鏡等中國制造觀天利器的輔佐下，我們將構建更大的宇宙化石樣本，重新認識第一代恒星質量的分布規律，揭秘元素起源，并重現宇宙早期恒星與星系的誕生、成長的圖像。

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者：李海寧

審核：中國科學院上海天文臺 研究員 韓文標

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

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