引力透鏡搜尋第一代恒星

來源：光明日報

宇宙的起源與早期演化，始終是天文學最宏大、最迷人的研究課題。在宇宙誕生后的億萬年間，第一批恒星悄然誕生，點亮了原本漆黑空曠的宇宙深空。這些遠古的第三星族恒星（天文學家將形成時間較晚的恒星歸為第一星族，較早的恒星歸為第二星族，尚未觀測到的宇宙第一代恒星則被歸為第三星族），是宇宙萬物演化的起點，構筑起星系、重元素乃至生命誕生的基礎。但由于距離極遠、年代太過久遠，人類始終難以直接觀測到它們的蹤跡。如今，依托韋布空間望遠鏡的超強觀測能力，結合宇宙天然的引力透鏡效應，天文學家終于擁有了探尋初代恒星、解鎖早期宇宙與暗物質謎題的全新手段。

解鎖早期宇宙

天文學家正熱切期盼著，盡快看見宇宙中最早誕生的那批恒星。2021年圣誕節，我與眾多天文學家一同見證了韋布空間望遠鏡從法屬圭亞那發射升空。這趟旅程為期一個月，目的地距離地球150萬千米，其間充滿無數令人屏息的瞬間，尤其是它持續一周左右的展開過程：望遠鏡在發射前被折得跟公交車一般大，卻在太空中如同折紙一樣，緩慢展開出了如同網球場一樣大的遮陽板陣列。

所幸，韋布空間望遠鏡最終安全抵達預定軌道，并在2022年夏季正式投入使用。自此，這臺望遠鏡開始解答天文學領域中那些最重要的問題。與此同時，它也帶來了很多新的問題。

其中最令人震驚的發現之一在于：當宇宙年齡僅為當前3%時（處于極早期階段），竟已存在質量超過太陽百萬倍的超大質量黑洞。這些龐然巨物為何能形成得這么早，至今仍是未解之謎。一種猜想是，宇宙中第一代恒星在爆發性死亡后留下了相對輕一些的黑洞，這些黑洞隨后在引力作用下相互并合，最終形成百萬倍太陽質量的超級黑洞。

然而，數千個小型黑洞如何在數億年內完成合并？這在宇宙學尺度上可是極短的時間。要解開這個謎題，關鍵在于理解宇宙第一代恒星。而迄今為止，還沒有人直接觀測到這樣的恒星。

第三星族恒星

第三星族恒星因為屬性原始、體型巨大，常被稱為恒星中的“恐龍”。它們只存在于宇宙的幼年時期，而那時宇宙的化學環境十分簡單。這些恒星幾乎完全由氫、氦和微量的其他輕元素（如鋰）構成——在那個時期，這是宇宙中僅有的幾種元素。

這些恒星在原始而致密的宇宙環境中誕生，質量遠超今天的恒星。它們就好比20世紀的搖滾巨星，生命短暫卻光芒萬丈，在宇宙中刻下了不朽的印記。在它們僅數百萬年的短暫生命里，第三星族恒星通過核心的聚變反應，制造出大量碳、氧、氮、硅、硫、鐵等元素。當它們以超新星爆發的形式終結時，這些元素噴涌而出，為后續行星及生命的形成播撒關鍵的物質種子。而在這場壯烈的爆發之后，遺留下來的往往是一個黑洞。

盡管科學家尚未直接觀測到單個第三星族恒星，但這一現狀可能即將改變。借助韋布空間望遠鏡以及自然產生的引力透鏡效應，我們有可能窺見第三星族恒星短暫生命中的某個瞬間，或者捕捉到它們異常明亮的終極爆發。我們甚至可能觀測到環繞在黑洞殘骸周圍的發光氣體——在觀測者的眼中，它們看起來就像是微型的類星體。

人類竟然有機會窺見這些來自時間源頭的遺跡，這簡直讓人驚嘆。這些遠古恒星不僅能幫我們理解早期宇宙，還可能為我們揭開宇宙最大的謎團之一：暗物質。宇宙似乎充滿了我們不理解的隱形物質，而第一代恒星的光在抵達我們望遠鏡的途中，必然穿過了暗物質，這些光線或許能幫我們揭示暗物質的本質。

我對這些早期恒星的探索始于十多年前。在那之前，我已在英國、美國、西班牙多所研究機構輾轉探索過各類天文課題。那時我暫時遷居美國，以便利用當時最頂尖的望遠鏡——美國航空航天局的哈勃空間望遠鏡研究我最鐘愛的領域：引力透鏡。

即便是哈勃和韋布這樣的尖端望遠鏡，也難以僅憑自身直接觀測第三星族恒星。幸運的是，宇宙似乎格外眷顧天文學家，在星辰之間悄然布置了成千上萬個“天然望遠鏡”，能夠放大星空背景深處遙遠的星系。與構成放大鏡的玻璃能夠彎曲光線類似，宇宙中的大質量天體也能彎曲時空本身。當星光穿過這片被彎曲的時空時，光線的路徑也隨之偏折。愛因斯坦預言了這種時空彎曲與光線偏折現象，也就是我們所說的引力透鏡效應。

宇宙中質量最大的天體當屬星系團，它也是最強的天然透鏡。星系團由成百上千個星系構成，這些星系聚集在狹小的空間里，其中還彌漫著大量暗物質。星系團的總質量可達銀河系的千倍以上，它在引力作用下維系著整體結構。當我們將望遠鏡對準某個星系團時，其引力會同時放大并扭曲背景星系的影像，從而形成引力透鏡效應。如果背景天體恰好位于透鏡中心的正后方，它的光線便會被拉伸、彎折成一個幾乎完美的圓環，即所謂的“愛因斯坦環”。

當我們將韋布空間望遠鏡對準一個引力透鏡時，相當于在望遠鏡前端加裝了一個巨型透鏡，從而將天文臺高效地轉化為“宇宙顯微鏡”。引力透鏡只能放大其后方極為有限的區域，這也跟真正的顯微鏡類似。這種放大并不均勻：在星系團后方的大部分區域，放大倍率通常不超過10倍；然而，在一些被稱作“焦散線”的極小區域內，透鏡效應會急劇增強，其放大倍數甚至可躍升至約1萬倍。

如果某個小型天體恰好落入某條焦散線，并且它足夠明亮，我們便能獲得常規條件下不可能得到的超高倍放大圖像。當韋布空間望遠鏡對準這些區域時，其觀測能力相當于口徑百倍的天文望遠鏡，讓我們以前所未有的清晰度窺探遙遠宇宙。實現這項技術的唯一前提是目標必須既微小又明亮，第三星族恒星恰好完美契合這個要求。

閃爍的透鏡

天文學家正在步步逼近，即將拿下觀測這些隱匿恒星的“前排座位”。近年來，已經有數顆恒星打破了最古老恒星的紀錄。2016年，也就是韋布空間望遠鏡升空的5年前，天文學家利用哈勃空間望遠鏡發現了“伊卡洛斯”，它成為人類歷史上第一顆透過“宇宙顯微鏡”被觀測到的單體恒星。伊卡洛斯和我們之間的距離，是此前已知最遙遠的恒星的200多倍。

美國明尼蘇達大學的帕特里克·凱利是發現這顆恒星的團隊負責人，他借用希臘神話中飛近太陽的伊卡洛斯為之命名，呼應揭示這顆恒星的超高倍放大效應。科學家最初注意到伊卡洛斯，是因為在相隔數月的觀測中，它的亮度出現了明顯的波動。在浩瀚宇宙中，極少有天體會出現這樣的亮度變化。在審慎考量了所有可能性后，研究人員最終斷定：藍超巨星是唯一可能的候選天體。

伊卡洛斯的亮度波動源于另一種透鏡效應——由微小質量天體引發的“微引力透鏡”。對于大多數天體而言，這種效應可忽略不計。但對于類似伊卡洛斯這種放大倍率在數周內顯著變化的背景恒星，該效應能引發顯著的明暗交替。當某個作為微透鏡的天體，與望遠鏡、擔任主透鏡的星系團以及更遠的背景恒星恰好短暫形成直線排列時，背景恒星的亮度最高可激增10倍。這種特殊的狀態通常會維持數周。在此期間，背景恒星會以某種已知且可預測的模式進行明暗交替變化，使我們得以辨識出單顆恒星的存在。

微引力透鏡效應主要由星系團內的某顆恒星產生，但也可能源自小規模的質量密集區，比如暗物質構成的致密結構。在“宇宙顯微鏡”的成像系統中，微引力透鏡就像一組額外的鏡片，進一步增強了整個系統的放大能力。

伊卡洛斯作為“迄今觀測到的最遙遠恒星”的紀錄僅保持了短短幾年，2022年發現的“埃倫德爾”便取而代之。這顆恒星由當時任職于美國約翰斯·霍普金斯大學的布賴恩·韋爾奇與空間望遠鏡科學研究所的丹·科共同領導的團隊發現，其距離更是達到了伊卡洛斯的5倍之遠。當然，伊卡洛斯和埃倫德爾本身早已湮滅在時間長河中，我們看到的不過是它們數十億年前的模樣，因為星光需要漫長時間才能抵達地球。例如埃倫德爾呈現的是宇宙年齡僅為現在的7%時的狀態。據估計，埃倫德爾受到的引力透鏡放大倍率接近1萬倍，這是迄今觀測到的最高放大水平。伊卡洛斯是人類迄今為止觀測到的最接近第三星族恒星的星體。天文學家推測，在它所處的時代，部分第一代恒星依然存在——這意味著我們或將很快能觀測到它們。不過要觀測第一代恒星，很可能需要回溯更久遠的時間。

近年來，人類在宇宙深處陸續發現了數十顆獨立恒星。它們的光芒跨越大半個宇宙抵達地球，承載著沿途的珍貴信息。這些光線能幫助我們窺探暗物質的奧秘。這種物質雖然彌漫于宇宙之中，科學家卻不知道它由什么構成。作為宇宙中占比最高的物質形態，暗物質卻總能躲過地球上所有精密探測器的捕捉。它可能由比電子還微小千萬倍的粒子構成，也可能是質量堪比太陽的黑洞集合體。但無論其本質如何，暗物質幾乎完全“無視”普通物質（以及我們昂貴的探測器）的存在。

值得慶幸的是，受透鏡效應影響的恒星能幫助我們繪制暗物質的分布圖并揭示其特性。如果引力透鏡中的暗物質形成了行星質量（甚至更大）的隱形結構，那么這些結構就會對背景恒星的放大倍率產生微小但可測量的擾動。目前，我與西班牙坎塔布里亞物理研究所的團隊成員合作，已在名為“哥斯拉”與“魔斯拉”的透鏡化恒星中觀測到此類異常現象。這項研究發現了兩個隱形結構，它們質量跨度極大，介于數萬倍到數億倍太陽質量之間。如果這些結構主要由暗物質構成，那么我們將能排除某些暗物質理論。因為這些理論認為暗物質無法形成如此小尺度的結構。在未來，對這些及其他透鏡化恒星的觀測，將幫助我們進一步界定暗物質可能的存在形態。

在所有已知的透鏡化恒星中，最壯觀的或許要數位于龍弧星系中的那些。龍弧星系發現于20世紀下半葉，是人類觀測到的第一個引力透鏡星系。該星系距地球“僅”65億光年，但星系內多處區域放大倍數超過百倍，使我們能觀測到相當于韋布空間望遠鏡十倍口徑才能捕捉的景象。2023年，韋布空間望遠鏡觀測了龍弧，通過識別微引力透鏡引起的星光閃爍，一舉發現了超過40顆單體恒星。針對該星系恒星的研究表明，暗物質可能由極其微小的粒子構成，其質量甚至比量子色動力學預言的候選粒子軸子還要輕。這些研究還暗示，暗物質可能具有一種被科學家稱為“模糊”的奇異量子屬性，賦予了其詭異的波動特征。

開啟宇宙探索新黃金時代

利用最尖端的望遠鏡，再借由自然界的引力透鏡去觀測古老恒星，我們正見證天文學邁入一個嶄新的黃金時代。

韋布空間望遠鏡不斷揭開遙遠恒星的面紗，而更多新建的天文觀測設備也已蓄勢待發。美國航空航天局計劃于2026年底發射的南希·格雷絲·羅曼空間望遠鏡，將覆蓋約12%的天區，有望發現數千個遙遠的新透鏡星系。到時候，在精挑細選出最可能是第三星族恒星的候選天體后，天文學家將利用韋布空間望遠鏡做進一步觀測，期待能在高倍放大區域附近捕捉到原始恒星的蹤跡。

其他空間望遠鏡，像歐洲空間局的歐幾里得空間望遠鏡，正在監測更廣闊的天區（約30%天區），并且已經發現了數量驚人的全新引力透鏡。未來，當我們用韋布空間望遠鏡進行后續觀測時，某些透鏡或許能率先揭示第三星族恒星的存在。

更令人振奮的是，美國航空航天局未來計劃制造“宜居世界天文臺”（HWO），其部分性能將超越韋布空間望遠鏡。這臺超級望遠鏡尚在論證階段，最終設計與參數尚未確定，但已展現出觀測最遙遠恒星的絕佳前景。例如，許多第三星族恒星理論溫度極高，這種高溫可能超出了更擅長觀測較冷恒星的韋布空間望遠鏡的探測范圍。

等到這臺新望遠鏡發射之際，對那些最佳天然引力透鏡和最值得觀測研究的透鏡化星系，我們的了解必將迎來質的飛躍。又或許，在那之前首批“恐龍恒星”就將得到確認，我們可以借助HWO對其展開更精細的研究。這些觀測利器必將助力人類追溯更久遠的宇宙歷史，甚至逼近宇宙的起點。當然，在揭示宇宙首批恒星的同時，也可以追溯我們自身的起源。

（作者：何塞·馬里亞·迭戈·羅德里格斯，系西班牙國家研究委員會天體物理學家）

（圖文除視覺中國外均由《環球科學》雜志社供稿）