到今天，宇宙已經(jīng)有大約138.2億年的歷史了。在這一百多億年的歲月里，我們的宇宙孕育了無數(shù)的恒星。這些恒星中，最年輕的已經(jīng)是宇宙第三代恒星了，比如我們的太陽。還有一些很古老的恒星，它們產(chǎn)生得更早，是宇宙中第二代恒星。
到了第一代恒星，情況就不一樣了。它們形成于宇宙的最早期，也就是說，我們的觀測設(shè)備需要觀測到宇宙的邊緣，才有可能看見這些恒星。但是迄今為止，我們?nèi)匀徊痪邆淙绱藦姶蟮挠^測能力。因此，直到今天，它們?nèi)匀恢淮嬖谟诶碚撝校煳膶W家們知道這些恒星真實存在，卻對它們無能為力。
到目前為止，人類觀測到的最遙遠天體叫做MACS 1149-JD，是一個距離我們大約132億光年的星系，是天文學家利用哈勃太空望遠鏡拍攝的哈勃極深場圖像中發(fā)現(xiàn)的。這意味著，它形成于132億年前。可是，在這里，我們?nèi)匀粺o法找到第一代恒星。
那么，宇宙中最早的恒星，到底是什么時候誕生的呢？
（圖片說明：哈勃極深場）
科學家指出：在大爆炸后38萬年，我們的宇宙進入了一個非常特殊的時期，那就是宇宙黑暗時代。在長達幾億年的歲月里，宇宙中所有的氫都均勻分布，并且是以原子的形式分布著。我們知道，現(xiàn)在的恒星形成模型認為，星際物質(zhì)要首先通過靜電力出現(xiàn)局部的凝聚，才會引發(fā)引力的滾雪球效應，從而形成恒星或者行星。而在宇宙黑暗時代，氫都是以原子形式存在，就無法形成靜電力。
整個宇宙一片死寂，仿佛已經(jīng)死亡。
但是，因為某個未知的原因，有一些氫被電離了。就像我們剛才提到的模型一樣，開始有天體形成，那就是第一代恒星。第一代恒星通過輻射和超新星爆發(fā)，促使更多恒星形成，今天的宇宙才如此豐富多彩。
理論簡單，驗證卻很難。黑暗時代的宇宙充滿了氣體云，遮擋了可見光和紅外線，讓我們無法觀測。因此，當時的宇宙中到底發(fā)生了什么，始終是個謎。甚至在未來短時間內(nèi)，我們都很難具備對這個時期進行觀測的能力。
但是，科學家不會放棄。
來自佐治亞理工學院的相對論天體物理學中心（CfRA）的一個研究團隊通過計算機模擬過程，描述了第一代恒星形成的過程，讓我們可以一窺那個時代的秘密。
根據(jù)目前的理論，第一代恒星最早形成于大爆炸后1億年左右。當時的宇宙只有氫以及極少量的氦以及更加微量的鋰，這也是第一代恒星的原料。這些元素坍縮形成了第一代恒星，它們的質(zhì)量普遍可以達到太陽的1000倍。
如此大質(zhì)量的恒星都有著很短的壽命，大概只用幾百萬年，第一代恒星就能燒完所有的燃料并死亡。但是，在核聚變和超新星爆發(fā)過程中，就會有更重的元素產(chǎn)生，因此第二代恒星中就會有碳、氧等元素，它們又被稱作碳增豐貧金屬星。
（圖片說明：光譜是探測恒星元素含量的重要手段）
由于第一代恒星目前是不可能被觀測到的，因此這些最早形成的第二代恒星就成了宇宙中的活化石。它們內(nèi)部所包含的元素種類和比例等信息，就像是它們的指紋，可以告訴我們很多信息，這些也是第一代恒星留下的痕跡。
為了完成這次模擬過程，研究人員借助了佐治亞理工學院的PACE計算機集群，同時還利用了德克薩斯高級計算機中心的Stampede2超級計算機、美國國家科學基金會的極端科學和工程發(fā)現(xiàn)環(huán)境及其贊助的Frontera系統(tǒng)（世界上最快的學術(shù)超級計算機）、以及圣地亞哥超級計算機中心的Comet計算機集群等設(shè)備，來探索第一代宇宙的秘密。
（圖片說明：Stampede2）
正是憑借這些計算機集群的強大計算能力，研究團隊實現(xiàn)了對第一代恒星的超新星爆發(fā)進行建模。結(jié)果顯示，那些貧金屬恒星通過吸收第一代恒星噴射出的物質(zhì)，從而獲得了碳增的結(jié)果。
同時，他們的模擬還預言了另一種恒星，這種恒星體積相對比較小，并且金屬元素的含量極低。這些恒星今天仍然存在于我們的宇宙中，只不過人類目前還沒有發(fā)現(xiàn)。
CfRA的博士后研究員Gen Chiaki描述說：“我們發(fā)現(xiàn)，與已經(jīng)觀測到的碳增恒星相比，這樣的恒星只含有很少量的鐵，甚至只有太陽的幾十億分之一。不過，我們可以看到一些氣體云的碎片，這暗示我們：低質(zhì)量恒星是在低鐵豐度體系中形成的。這樣的恒星我們現(xiàn)在還沒有觀測到，而我們的研究正是提供了最早期恒星形成的一種理論。”
近些年來，星系考古學正在迅速發(fā)展，成為了天文學領(lǐng)域的一個熱門方向。就像考古學家通過化石和各種遺跡來推測古生物和遠古氣候環(huán)境的信息一樣，該領(lǐng)域的科學家們也在嘗試對古老的恒星進行觀測和研究，以求了解更早期的宇宙、星系和恒星所經(jīng)歷的起源和演化過程。這些發(fā)生在一百三十多億年前的宇宙事件，仍然有太多謎題讓我們困惑不已，這也是人類孜孜不倦所追求的真知。
Chiaki介紹說：他們接下來的研究內(nèi)容將不僅僅探索古老恒星的碳含量，還會將更多更重的元素考慮進來，進行更加宏大、完整、細致的模擬。
“這項研究旨在了解碳、氧、鈣等元素的起源過程，它們是在星際介質(zhì)和恒星之間往復不斷的物質(zhì)循環(huán)過程中累積起來的。我們的身體和我們的行星都是由碳、氧、鈣這些元素構(gòu)成的，，因此我們的這項研究就至關(guān)重要，可以幫助我們了解構(gòu)成我們?nèi)祟惖脑厥侨绾纹鹪吹摹！?/span>
人類的出現(xiàn)固然是宇宙的奇跡，但宇宙從一個奇點演化到今天如此龐大、豐富的結(jié)構(gòu)，也同樣令人感到不可思議?，F(xiàn)在宇宙中除了氫以外的大部分物質(zhì)，都是通過第一代恒星形成的，使它們造就了今天壯觀的宇宙。這個奇跡到底是怎么發(fā)生的，或許將在未來幾年被科學家破解。
