美国宇航局的罗马太空望远镜将搜寻宇宙中的第一颗恒星——或者它们被撕碎的尸体

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一幅插图显示了一个黑洞在潮汐破坏事件中撕裂了一颗大质量恒星。（图片来源：拉尔夫·克劳福德（STScI））

据美国太空网（Robert Lea）：美国国家航空航天局即将推出的Nancy Grace Roman望远镜可以利用被黑洞撕裂的恒星的可怕死亡来寻找宇宙中第一批恒星。

这些早期恒星被称为（有点令人困惑）第三人口（Pop III）恒星，与今天宇宙中看到的太阳和其他恒星非常不同。这是因为宇宙中还没有充满“金属”，天文学家用这个词来描述比氢和氦重的元素。

Pop III恒星在宇宙大爆炸后仅数亿年就出现了，并且“金属含量很低”，主要由氢和氦组成。它们也被认为比太阳大得多，也比太阳热得多。这意味着Pop III比较小的恒星更快地燃烧燃料进行核聚变，而这些短暂的寿命使它们成为天文学家难以捉摸的目标。

因为这些最早的恒星负责锻造金属，这些金属将成为下一代金属含量较低的恒星的基石，研究它们是理解宇宙进化的关键。新的研究表明，将于2027年发射的Nancy Grace Roman望远镜（简称Roman）可能有一种独特的方式来实现这一目标。

Roman不会寻找完整的Pop III恒星，而是在它们偏离黑洞太近并在天文学家称之为潮汐破坏事件（TDE）的事件中被摧毁后，寻找它们的残骸。

研究小组成员、耶鲁大学科学家Priyamvada Natarajan在一份声明中表示：“由于我们知道黑洞很可能存在于这些早期时期，在它们吞噬这些第一颗恒星时捕捉到它们可能会为我们提供间接探测Pop III恒星的最佳机会。”。

罗曼将目睹第一颗恒星的毁灭

当一颗恒星靠近黑洞时，它所遇到的巨大引力影响会在黑洞内产生巨大的潮汐力。这导致恒星在垂直拉伸的同时被水平挤压。组成恒星的物质被转化为恒星物质的“面条”，这个过程被称为“spaghettification”

然而，曾经构成这颗注定要灭亡的恒星的物质并不能立即落入黑洞。相反，它聚集在黑洞周围一个扁平的云中，称为吸积盘。当这种物质盘旋并朝向黑洞时，它会升温，发出一种在某些情况下可以在数十亿光年外看到的辉光。

TDE本身是瞬态事件。这意味着，当恒星被摧毁时，X射线、无线电、紫外线和光学波长的光会出现短暂但强烈的耀斑。这就是TDE在本地宇宙中的出现方式，在那里Pop III恒星已经不复存在。但这些暴力事件在130亿光年左右的遥远距离上看起来却截然不同。

这是因为，当这些事件产生的光传播时，空间的膨胀导致其波长变长，将其推入光谱的红外部分——这种现象被称为“红移”

此外，TDE的瞬态性质随着其光在宇宙中传播而发生变化。这是因为红移导致破坏Pop III的TDE在数百到数千天内变亮，然后在长达十年的时间内消退。

香港大学博士后研究小组组长Rudrani Kar Chowdhury说：“Pop III TDE的演化时间尺度非常长，这是一个可以将Pop III TDME与其他瞬变区分开来的特征，包括超新星和像太阳这样的当代恒星的TDE。”。



一位艺术家描绘了一个黑洞在TDE后吞噬恒星物质的画面。（图片来源：美国航空航天局/喷气推进实验室加州理工学院）

团队成员表示，通过提供比哈勃太空望远镜大200倍的宇宙全景视野，以及比这台离子望远镜快1000倍的巡天速度，Roman应该是发现这些早期TDE的理想仪器。

虽然美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）具有观测这些遥远和早期TDE所需的功率，但它的视场也比罗曼的小得多。这意味着它不像即将推出的太空望远镜那样有效地搜寻TDE。在寻找被摧毁的Pop III恒星方面，特别有希望的是Roman的高纬度广域调查，该调查将能看到2000平方度的银河系平面外的天空。

香港大学天体物理学教授、团队成员戴说：“罗曼可以深入到很远的地方，但覆盖了很大的天空。”。“这就是检测这些TDE的有意义样本所需要的。”

这并不意味着JWST不会在寻找涉及Pop III明星的TDE中发挥作用。当Roman发现这种情况时，JWST强大的红外视野将能够放大它，并使用其光谱仪器来确定金属的存在。这将决定TDE是否真的涉及到对Pop III明星的毁灭。

Kar Chowdhury说：“由于这些恒星只由氢和氦组成，我们在物体的光谱中看不到任何金属线，而在规则恒星的TDE光谱中，我们可以看到各种金属线。”。

因此，这个由Roman和JWST组成的标签团队可以解开宇宙最早恒星的秘密，以及它们如何影响下一代恒星和宿主星系的进化。

这项研究于5月8日在线发表在《天体物理杂志快报》上。