宇宙大爆炸创造了宇宙的2亿到4亿年之后，第一批恒星开始出现。通常即使是在2020年发射的美国国家航空航天局新詹姆斯韦伯太空望远镜，在太空和时间上如此巨大的距离也将是遥不可及。然而，亚利桑那州立大学的天文学家们正领导着一组科学家，他们提出只要时机把握好，运气好，韦伯太空望远镜就能捕捉到宇宙中诞生第一颗恒星发出的光。亚利桑那州立大学地球与太空探索学院的天体物理学教授Rogier Windhorst说：寻找第一颗恒星长期以来一直是天文学的目标，它会告诉我们关于早期宇宙的真实属性，直到现在才对电脑建模。
星系群Abell 2744位于距离约35亿光年的地方，包含了400多个成员星系。所有星系的共同引力使星团成为一个透镜，可以放大来自其他恒星的光，包括团队所希望的，这是宇宙中最早形成的恒星。图片：NASA/ESA/Arizona State University (R. Windhorst and F. Timmes)
Windhorst的合作者Frank Timmes，地球和太空探索学院的天体物理学教授补充道：想要回答关于早期宇宙的问题，比如，双星是常见的还是大多数恒星都是单一的？有多少重的化学元素是由最初恒星产生的？那些第一颗恒星是如何形成的？Duho Kim是一个地球和太空探索学院的研究生，他致力于模拟星系中的恒星和尘埃。其他合作者在纸上是j·斯图亚特·b·Wyithe(澳大利亚墨尔本大学),穆罕默德Alpaslan(纽约大学),斯蒂芬·k·安德鲁斯(西澳大利亚大学),丹尼尔·科(太空望远镜科学研究所),Jose m .迭戈(学院运动德坎塔布里亚、西班牙),马克Dijkstra算法(奥斯陆大学)和西蒙·p·司机和帕特里克·l·凯利(两个加州大学伯克利分校)。
该小组发表在《天体物理学杂志增刊》上的论文描述了如何进行具有挑战性的观测。为了获得更大的放大倍数，我们需要“碱化过渡”，这是一种特殊的排列，当星系团在地球和恒星之间飘过的时候，恒星的光会被放大几周。因为一群作为透镜的星系不能产生一个像读数放大镜那样的单一图像，这就产生了焦散。这种效果更像是透过一块凹凸不平的玻璃，带着零区和热点。一个碱基是放大最大的地方，因为透镜状星云中的星系在它的内部扩散，它们产生了多重放大的焦散，在空间中像蜘蛛网一样追踪一个模式。
这样的排列有多大可能？虽然小，但不是零，他们注意到因果关系的蜘蛛网是通过撒网来帮助的。此外，每一个碱基都是不对称的，如果一个恒星从一边靠近，那么它就会产生一个急剧上升到完全的放大倍数，但是如果从另一边靠近的话，它的上升速度要慢得多。Windhorst解释说：根据不同的原因，第一颗恒星会在几个小时或几个月后变得明亮。然后在达到亮度峰值几周后，它会慢慢地或快速地淡出，因为它远离了焦散线。第一颗恒星的一个关键属性是，它们是由早期宇宙的氢和氦混合而成的，而不是像碳、氧、铁或金等较重的化学元素。第一颗恒星发出耀眼的炙热和明亮蓝白，就像一个指纹一样，显示出教科书上的简单光谱，由ASU小组使用开放软件工具模块进行计算，用于恒星天体物理学的实验。
当天文学家根据温度和亮度绘制恒星时，恒星位于图的各个区域;大部分是沿着主序列。太阳位于右下方，其生命周期约为64亿年(Gyr)。第一代恒星非常热，并且在爆炸之前就变得非常大，在仅仅几百万年之后就会爆炸。图片：Arizona State University/F. Timmes
引力透镜，该任务的第一个关键步骤依赖于韦伯望远镜的红外灵敏度。虽然第一颗恒星是巨大的、炽热的、辐射的远紫外线，但它们离得太远，以至于宇宙的膨胀已经将其辐射峰值从紫外光变成了更长的红外波长。因此星光就会落入韦伯望远镜的红外探测器，就像棒球手的手套里的棒球降落一样。第二个重要的步骤是利用一个中间星系群引力，作为透镜聚焦并放大第一代恒星的光。典型的引力透镜可以将光放大10到20倍，但这还不足以使第一代恒星能够被韦伯望远镜所看到。对于韦伯来说，候选星的光需要增加1万甚至更多。
另一个可能被相同放大效应所能看到的物体是在大爆炸后形成第一个黑洞周围的吸积盘。黑洞将是最大规模的第一颗恒星的演化进化结果。如果有这样的恒星出现在双星系统中，质量更大的恒星在坍缩到黑洞后，会从伴星中偷取气体，形成一个进入黑洞的扁平圆盘。一个吸积盘将会显示出与第一颗恒星不同的光谱，因为它会传递一个碱基，在更短的波长范围内产生更强的亮度，而与较冷的外区相比，这是在圆盘的最深处。亮度的上升和衰减也需要更长的时间，不过这种效果可能更难检测。吸积盘预计会有更多的数量，因为孤独的第一颗恒星会在几百万年的时间里以巨大而炽热的速度穿过它们的生命，然后爆炸成为超新星。
然而，理论认为，黑洞系统中的吸积盘可能比单独的第一颗恒星长至少十倍。在其他条件相同的情况下，这将增加检测吸积盘的几率。在这个阶段，只是推测，但是这个团队计算出一个观测程序，它针对几个星系团，一年几次，在韦伯望远镜的生命周期中，可以找到一个透镜状的第一颗恒星或黑洞吸积盘。研究人员选择了一些目标星团，包括哈勃前沿场星团和被称为“El Gordo”的星团。Windhorst说：我们只需要运气好，观察这些集群就够了，在韦伯的一生中，天文界需要继续监控这些星团。这就提出了一个观点，虽然韦伯太空望远镜将是一个技术奇迹，但它将不会像哈勃太空望远镜那样有一个长期的运行周期。
这张图说明了来自遥远星系或恒星的光线是如何被一个中间星系群的引力所弯曲的。结果，地球上的一个观察者看到远处的物体看起来比它看起来更亮。图片：NASA, ESA, and A. Feild and F. Summers (STScI)
哈勃望远镜于1990年发射，位于近地轨道，宇航员已经维修了5次。然而，伯太空望远镜将被放置在距地球150万公里(93万英里)的星际空间的一个重力稳定点。它的设计是5到10年，这可能需要15年的时间，但是有不能进行维修的条款。因此，Windhorst注意到ASU加入了巨型麦哲伦望远镜组织。这是一个由大学和研究机构组成的联盟，他们将在智利拉斯坎帕纳斯天文台的高而干燥的山顶上建造它的同名望远镜，该网是理想的红外观测。在2026年完工后，将会有一个直径为24.5米(80英尺)的光收集面，它由七个独立的镜子组成。(韦伯太空望远镜的主镜有18个截面，总直径6.5米，或21英尺。)
格林尼治标准镜预计将达到比哈勃太空望远镜在光谱红外区域的分辨率大10倍。在这段时间里，韦伯望远镜和巨型麦哲伦望远镜都将投入使用。Windhorst说：我们计划用这两种仪器观测第一代恒星和其他物体，这将让我们对两者的结果进行交叉校准。这两个望远镜之间的重叠在另一方面很重要。GMT的运行寿命将会持续几十年，直到未来。这与韦伯望远镜不同，它最终将耗尽推进器燃料，以维持其太空轨道。当这种情况发生时，与韦伯望远镜的联系将会消失，它的使命也将结束。Windhorst说：不管怎样，我们有信心能探测到宇宙中的第一批恒星。
博科园-科学科普｜参考期刊文献：天体物理期刊增刊｜来自：亚利桑那州立大学
