第二节 第一代恒星
1、谜题
我们人类的真正宇宙天文学研究，只有短短百余年光阴，每次天文发现都会产生新的疑问，而现有尖端科技还无法解答这许多迷雾重重的谜题。
比如宇宙中第一代恒星的有关情况，就是一个多年来困扰天文学界的谜题。
大多数普通人会认为，恒星是必定形成于星云中的，而星云要想形成恒星，就必须具有不均匀的密度，密度低的部分才会受到密度高的部分吸引而向其聚集，当聚集到一定程度后，中心部分处于高温高密状态，并产生向外的热辐射，最后，引发热核反应，于是恒星就正式形成了。
但是，我们知道，恒星的真正形成过程要远比这复杂的多的多……。
第一代恒星的形成是宇宙演化中一个标志性的大事件，神秘的宇宙黑暗时代自此终结。关于第一代恒星的形成过程、初始质量以及存在地方等许多方面，目前都还没有任何直接证据。
为了探测到第一代恒星，天文学家提出了许多观测方案和理论模型，却没有一个被科学界所接受成为共同认可的理论。
但是第一代恒星它确实存在，藏在黑暗的宇宙角落里向天文学家提出了巨大挑战。这些谜一般的天体质量非常巨大，约在几十到数百个太阳质量之间，寿命仅有几百万年，表面温度极高，光度可达太阳光度的百万倍。
仰望夜空，那些璀璨星空中的无数恒星，我们所熟悉的点点星光并非一开始就有的，按照理论推算，它们中的绝大多数都已经算是第二代、第三代甚至第N代恒星。
最早的第一代恒星应该是在大爆炸后约2-10亿年内大量形成（天文学家的猜测），当时的宇宙环境异常特殊，几乎没有任何重元素，所以第一代恒星的组成原料只能是氢和氦，寿命很短，它们在燃料耗尽后会向周围抛出自身核合成的重元素，这些金属元素跟周围的气体互相混合，成为新生恒星、行星等天体的关键组成物质。所以，此后形成的恒星与第一代恒星在性质上完全不同。
这些宇宙中的最古老居民，让科学家只能从理论上去推测，第一代恒星到底是怎么形成的？组成成分是不是只有氢和氦？它崩溃之前来不来得及发光发热？是否第一代恒星都因为质量过大变成了黑洞？没有人能够解答这些问题。
目前观测研究第一代恒星的方向主要在银河系或近邻星系中寻找金属丰度极低的恒星，这些恒星本身未必是第一代恒星，但可能是在仅仅被第一代恒星污染过的气体中形成，因此从其不同金属元素的含量可以推测第一代恒星的性质。只不过，科学界们目前在银河系中还没有发现零金属丰度的恒星，金属丰度在-4到-3之间的恒星大约有100多颗，然而这其中依然没有第一代恒星甚至第二代恒星的踪影。
超新星爆发抛出的物质，在广袤的星际空间漫无目的地遨游，经过多次碰撞和辐射后，几百万年下来变得越来越稀薄，最终与星云混为一体，因此宇宙中的星云不再只是由原生物质氢和氦构成，而是遭到许多重元素的污染，也正是由于这种污染，宇宙有了出现自然景观、生命、技术和能源的可能。这种被“污染”的星云在引力作用下收缩、坍缩和碎裂，使核子活动再度爆发，第二代恒星及行星随即诞生了，太阳便是其中一例。
第一代恒星一个个消亡了，在它们的死亡中酝酿着灿烂的新生，在它们的废墟上将升起新一轮的恒星，一个有生命的宇宙时代即将拉开序幕。
2、燃烧吧，恒星
恒星的一生灿烂辉煌，它的光和热孵育了生命，本身还是宇宙中最神奇的炼金炉。组成我们身体以及地球的每一个原子，都曾在那些早已熄灭的古老恒星中经受过亿万年熔炼。
恒星并非不动，只是因为离开我们实在太远，不借助于特殊工具和方法，很难发现它们在天上的位置变化，因此古代人把它们认为是固定不动的星体，称之为 恒星。
晴朗夜晚，我们在一定的地点用肉眼大约可以看到 3000多颗恒星，借助于望远镜，则可以看到几十万乃至几百万颗以上。这些恒星都是由炽热气体组成的，能自己发光的球状或类球状天体。它们发光的能力有强有弱。表面的温度也有高有低。一般说来，恒星表面的温度越低，它的光越偏红；温度越高，光越偏蓝。
宇宙中最初形成的原始星云在引力的作用下向中心聚集，恒星就是物质凝聚到一定程度的产物，它起源于星云中物质较密集、引力较强的区域。物质聚集得多，温度就上升，旋转也会加快，这一过程逐渐积累，当中心温度上升到约1000万度时，就会引发热核反应向外发放辐射，恒星的生命历程便开始了。
起源于原始星云中的第一代恒星，是由氢氦两种元素构成。它在形成后就进入生命周期中的第一个剧烈燃烧阶段——氢燃烧：氢核之间相互聚变成氦核，并向外释放巨量的光和热。
当恒星中的氢消耗掉10%时，星体会发生收缩，使恒星中心温度继续升高，达到氦聚变的1亿度高温，此时的氦核将会聚变成铍、碳和氧，同时释放出更加巨量的光和热。
氦聚变要比氢聚变有着更多的光和热，但是人类目前还无法掌握氦聚变过程，只能使用氦的同位素氦三进行发电。据专家估计，发电厂如果用氦三做燃料，全世界每年只需100吨就可满足用电量，月球上的氦三储量很丰富，能够供应人类使用7000年的电量。
而恒星中的氦是很丰富的，温度也足够高，所以氦的聚变反应会一直延续到中心部分的氦消耗殆尽，碳和氧所占的比例大致相等时才结束。之后，一些质量足够大（质量至少是太阳的4倍）的恒星里，中心温度再次升高到10亿度，让碳和氧也有条件继续聚变，结果又形成了钠，镁，硅和硫等元素。
当恒星中心部分的碳和氧消耗殆尽并富含硅时，温度升高到再次启动了硅燃烧。直到硅转化成硫，氩和其它一些更重的元素。这是一个完美的核反应链条。
如果恒星此时的内部温度升到30亿度左右，那么恒星便开始了它生命周期中的平衡阶段，在中心开始形成铁元素。因为铁在所有元素中，其原子核最为稳定，核聚变反应到此为止不再形成新的元素，也宣告恒星开始走上了末日之旅。
图：恒星内部一层层的聚变反应，制造出许多重元素
恒星经过接力棒一样的持续燃烧，最终形成了不会燃烧的铁核，垂死恒星开始与自身引力作着最后的无谓抗争，但还是无法避免的跌进了引力深渊之中：恒星外围各层数以万亿吨计的不同重元素飞速下沉，与铁核区发生强烈碰撞，铁吸收中子及能量后，在最后阶段炼出了金，铅，铀等更重的元素。此时的恒星变得极其不稳定，随时会发生猛烈地全面爆发，抛去身上的气体外壳，将内部物质抛入广阔无垠的太空，最后变成行星状星云或者超新星遗迹。
超新星爆发是老年恒星的辉煌葬礼，在爆发中完成它的全部使命，把自己的大部分物质抛射回太空中，留下的残骸，也许是白矮星，也许是中子星，甚至黑洞……。
就这样，恒星来之于星云，又归之于星云，走完它辉煌的一生。
绚丽的星空中那些恒星的一生，将永远是宇宙中最美丽的一道景致。
3、第一代恒星的假想模型
天道之下，时间的流动，像流水进入大海一样，无影无踪不可寻觅。
宇宙历史的黑暗时代中，如何形成第一代恒星、星系以及大质量黑洞，这些现代宇宙学的核心谜题，一直都是天文学家进一步深入研究的前沿阵地。
随着新的观测设备的研制、超级计算技术所取得的长足进步，我们正在进入一个令人兴奋的大发现时期，任何有价值的信息都可能让发现者走向诺贝尔奖的领奖台。
现在，让我们对目前的理论假设做一个综述，看看能否启发出什么灵感。
先说说有关宇宙演化的现代标准冷暗物质模型，这是一个里程碑式的理论，不过里面有着太多的专业知识需要解释，而纯粹的理论总是枯燥和深奥的，所以我们在这里仅仅做一个简单了解而已。
这种理论假设宇宙的结构是等级式形成的，即小的天体先形成，进而不断合并成更大的系统，至于第一代恒星形成的场所，就是来自于大爆炸之后几亿年的暗物质晕。
暗物质晕环绕在星系外围，让整个星系都沉浸在这种暗物质晕当中。它存在的证据来自于万有引力的作用——旋涡星系内各个天体的运转速度。
如果没有大质量物质存在于星系的“暗物质背景”中，星系和其内天体的旋转速度就应该随着距离核心越远而越慢，然而，观测旋涡星系，却发现星系各部分有着相同的运转速度。那里没有任何可见物质，根本无法解释这种运转情况，所以只能判断星系周围存在大量看不见的暗物质，后来的许多观测都证实了这一点，似乎所有星系都是沉浸在暗物质中。
为了开启恒星形成过程，在暗物质晕中开始一步步积攒足量的低温高密度气体。当足够多的物质积聚之后，就会发生雪崩式的坍缩。一个小型的原恒星会先形成，然后通过吸积周围的气体长成一颗大质量恒星。而来自一颗大质量恒星的紫外辐射可摧毁气体云中的所有氢分子，所以一片原始气体云中只能形成一颗恒星。
恒星成长到20-30个太阳质量的时候，辐射压会在恒星的两极逆转下落的气体，但即使如此也不会让恒星放缓成长过程，它会变得越来越庞大。
当恒星达到50-100个太阳质量的时候，由大量电离辐射所产生的电离氢区扩张会大幅度地减小吸积率，最终，在吸积盘中会终止吸积过程，恒星的质量最终确定在60-300个太阳质量之间。
大质量恒星所发出的大量电离辐射会剧烈影响它们周围的环境，引发强劲的物质外流，降低暗物质晕中的气体密度，使得随后的恒星形成被推迟达1亿年以上。这一效应导致第一代和第二代恒星形成之间出现了明显的“代沟”。
对于初始质量在25-140个太阳质量以及大于260个太阳质量的第一代恒星而言，它们最终会以坍缩成黑洞并且抛射出少量重元素的方式结束它们的一生。
质量在140-260个太阳质量之间的第一代恒星会以超新星的形式爆发。这些第一代超新星爆发出的气体温度过高，在冷却前无法进一步形成恒星。而冷却和再坍缩过程都非常缓慢，使得第一代星系中的恒星形成过程断断续续。
一般地，在这些模型中第一代恒星会先于星系形成，虽然第一代恒星总体的形成效率还有本质上的不确定性，但是至少有一颗原初恒星会在最终演化成第一代星系的地方形成。
詹姆斯·韦伯空间望远镜还未问世，就已与凯克、哈勃等太空功臣齐名的，是世界上功能最强的天文望远镜，有望在2015年被发射升空，其任务之一就是进行一系列观测来检验我们目前理论中的基本假设。届时天文学家们将拥有全面的观测仪器，通过在最年老的银河系晕星中所发现的金属性来了解第一代恒星的性质。
下面，我们还是进入真正的恒星世界，去看看它的演化过程。