宇宙首批恒星在湍流模擬中亮相

這幅圖像源自一項突破性的宇宙原始氣體云模擬。宇宙中最初誕生的恒星便孕育于這些云團之中。色階梯度表示氣體密度——在此演化階段，其中一個氣體團塊已超越金斯不穩(wěn)定性臨界值，正開始坍縮形成質(zhì)量約8.07個太陽質(zhì)量的第三族恒星。圖片來源：Chen et al. 《天體物理學(xué)雜志通訊》2025年刊

理解早期宇宙是空間科學(xué)的一個根本目標(biāo)。我們渴望了解自然界的本質(zhì)，探索宇宙如何從大爆炸后的超高溫等離子體演變成今天所見的秩序井然的模樣。其中最關(guān)鍵的時刻，就是被稱為第三星族星的第一代恒星通過核聚變點燃、照亮周圍空間的瞬間。

在首批第三星族星出現(xiàn)之前，宇宙經(jīng)歷了哪些事件？這些恒星如何形成？它們具有怎樣的特性？盡管詹姆斯·韋伯太空望遠鏡通過觀測首批星系的光線，在突破認知壁壘方面取得了令人矚目的成就，但人類對早期宇宙的理解和觀測仍存在諸多障礙。

但觀測星系是一回事，要觀測130多億年前單顆恒星的形成過程實際上是不可能的。幸運的是，超級計算機模擬技術(shù)能讓我們無限接近真相。

最新研究運用尖端的GIZMO模擬程序，結(jié)合來自TNG項目數(shù)據(jù)庫（https://www.tng-project.org/）的資料，成功復(fù)現(xiàn)了宇宙形成第一代恒星（https://phys.org/tags/first+stars/）時的物理條件。

這項題為《金屬混合對初代恒星形成影響的高分辨率模擬研究》的論文發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志通訊》，由天文物理研究所的陳科榮博士領(lǐng)銜完成。

在第一代恒星照亮宇宙之前的時期被稱為“宇宙黑暗時代”（Dark Ages）。此時，宇宙已冷卻到足以變得透明，使光線得以傳播，但由于尚未形成恒星，宇宙中仍不存在光源。黑暗時代始于宇宙大爆炸后約37萬年，隨著數(shù)億年后第三星族恒星（Population III stars）的形成而告終結(jié)。

這些模擬圖像展示了暗物質(zhì)微型暈的形成過程以及氣體如何在其引力作用下坍縮。線條標(biāo)示了氣體的運動方向。最初氣體呈均勻分散狀態(tài)，隨著微型暈的形成，氣體逐漸聚集并流向暈體。第三幅圖像顯示，由于氣體向暈體流動時的不均勻性，形成了絲狀聚集結(jié)構(gòu)。（圖片來源：中央研究院天文所/何孟遠與董培成）

科學(xué)家們對宇宙的"黑暗時代"仍存有許多未解之謎。其中最大的謎題之一與暗物質(zhì)有關(guān)——最初的暗物質(zhì)微型暈是如何坍縮并形成第一代恒星誕生的"腳手架"？導(dǎo)致恒星形成的原始氣體云內(nèi)部又是怎樣的環(huán)境？研究團隊通過超級計算機模擬試圖解答這些難題。

研究人員寫道："我們利用GIZMO代碼，通過對原始氣體冷卻與化學(xué)過程的精細建模，展示了在一個質(zhì)量為1.05×10?太陽質(zhì)量的巨大迷你暈中，第一代恒星形成云的形成與演化新模擬。"

與先前在約0.3-2 Mpc較小宇宙學(xué)模擬盒中模擬第一代恒星形成的研究不同，我們的工作采用來自大尺度宇宙學(xué)模擬IllustrisTNG的初始條件（覆蓋范圍約50 Mpc），以研究孕育第一代恒星的原初云團形成過程。

IllustrisTNG是一個知名且常用的宇宙模擬程序。研究人員能夠通過一種名為粒子分裂的技術(shù)來提高IllustrisTNG的分辨率。這使得他們能夠以前所未有的規(guī)模追蹤星云中氣體的運動，精確到秒差距的一小部分。

作者解釋道："我們采用粒子分裂技術(shù)，將IllustrisTNG的原始分辨率提升約10^5倍，實現(xiàn)了極高分辨率，使得我們能夠解析早期結(jié)構(gòu)形成過程中由引力坍縮驅(qū)動的湍流現(xiàn)象。"

模擬開始時存在一個暗物質(zhì)微型暈，隨后可見氣體墜入其引力勢阱。氣體以極高速度涌入，并在與小型暗物質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)的匯聚點附近堆積。最終形成內(nèi)部具有纖細氣體結(jié)構(gòu)的致密云團。下墜過程中氣體運動速度達到音速五倍，產(chǎn)生超音速湍流。這些氣體向中心匯聚并開始旋轉(zhuǎn)。

這些來自模擬的圖像展示了紅移z=18.78時原始迷你暗暈的形態(tài)結(jié)構(gòu)。各面板逐級放大氣體密度分布，從40千秒差距尺度聚焦至目標(biāo)暗暈內(nèi)部4秒差距區(qū)域。隨著尺度縮小，團塊結(jié)構(gòu)特征愈發(fā)顯著。在4秒差距面板中，中心區(qū)域呈現(xiàn)出一個被環(huán)流氣體尾跡包圍的細長致密團塊，凸顯出坍縮核心內(nèi)部復(fù)雜且各向異性的動力學(xué)特征。（圖片來源：中央研究院天文所/何孟原與董培成）

高速湍流將云團分割成若干致密的原始氣體團塊。這種湍流非但沒有阻礙恒星形成過程，反而似乎促進了恒星誕生。其中一個氣體團塊即將形成一顆質(zhì)量為8個太陽的恒星。

作者解釋道："這一演變過程表明，氣體吸積具有高度各向異性和非均勻性，從而形成了團塊狀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)很可能是由正在聚集的暗物質(zhì)暈產(chǎn)生的潮汐力塑造而成。"

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該研究的主要作者Chen在新聞稿中表示："這是我們首次能夠解析第一代恒星形成初期湍流現(xiàn)象的完整發(fā)展過程。研究表明，劇烈而混亂的運動不僅存在，而且對首批恒星的形成起到了關(guān)鍵作用。"

天文學(xué)家一直對宇宙中的第一代恒星（即第三星族恒星）感到好奇。有研究顯示，它們是以一種平穩(wěn)的過程單獨形成的巨大恒星。然而這些模擬顯示，星云分裂成了多個團塊，第三星族恒星的數(shù)量比預(yù)想的更多，但質(zhì)量卻更小。

這些圖像展示了原始暗物質(zhì)微型暈的物理性質(zhì)，分別呈現(xiàn)了模擬結(jié)束時的氣體密度、暗物質(zhì)分布、氣體溫度以及馬赫數(shù)。虛線圓圈標(biāo)示出模擬范圍內(nèi)100秒差距的內(nèi)核區(qū)域。中央高密度區(qū)域的氣體正在冷卻，從而促使恒星形成。（圖片來源：中央研究院天文及天文物理研究所/何孟原與董培成）

這些發(fā)現(xiàn)或許能解開一個困擾科學(xué)界已久的謎團。理論上講，如果第三族恒星的質(zhì)量真有那么大，那么其中許多恒星都應(yīng)該會以超新星形式爆發(fā)，并在下一代恒星（即我們能觀測到的最古老恒星）中留下金屬豐度的化學(xué)印記。

雖然研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這種金屬豐度的蛛絲馬跡，但從未找到?jīng)Q定性證據(jù)。如果上述模擬結(jié)果正確，我們之所以看不到這些化學(xué)印記，是因為第一代恒星的質(zhì)量并沒有理論推測的那么大，也很少會爆發(fā)超新星。

作者們在結(jié)論部分寫道："我們的研究結(jié)果表明，早期結(jié)構(gòu)形成過程能夠自然產(chǎn)生超音速湍流，這種湍流在塑造原始氣體云形態(tài)及調(diào)控第三星族恒星質(zhì)量尺度方面起著決定性作用。"

這些高分辨率模擬為早期宇宙研究打開了新窗口。如果第三族恒星的質(zhì)量不如預(yù)想中龐大，這將改變我們對宇宙演化進程的理解。理論模型顯示第三族恒星質(zhì)量介于80-260倍太陽質(zhì)量之間，它們最終會以對不穩(wěn)定性超新星形式消亡。

但這類超新星會留下獨特的痕跡，而目前并未觀測到此類痕跡。模擬實驗表明，這些特征不存在的原因在于我們的理論存在謬誤，亟需修正更新。

"這一模擬實現(xiàn)了將大規(guī)模宇宙結(jié)構(gòu)形成與恒星誕生的微觀過程相連接的重大飛躍。"陳表示，"通過揭示湍流的作用，我們離理解宇宙黎明如何開始又近了一步。"

BY：phys-Evan Gough

FY：Astronomical volunteer team

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