在我們附近的宇宙里 出現了一顆不該出現的恆星

大麥哲倫雲。圖片來源：NASA

這顆恆星來自宇宙之初。


如果把數學家、工程師和天文學家放到一個房間裏，詢問他們π是多少，你馬上就能體會到數學、工程學和天文學的區別。

數學家會告訴你，π就是π。

工程師會告訴你，π大約是3.14，在要求不高的情況下近似取3也不是不能用。

天文學家則會表示，把π當成3.14還是太麻煩了，乾脆當1算，當10也不是不行，反正數量級差不多。

從某種程度上說，天文學之所以讓人產生這樣的刻板印象，是因為我們對這個宇宙的了解還是太有限了，哪怕只能把數據的誤差範圍約束到幾個數量級內，在很多時候也算相當不錯的進步了。

氫元素、氦元素和金屬元素

當然，我們對宇宙的了解也不總是這麼粗糙，比如今天的我們可以觀測宇宙大爆炸的餘暉——宇宙微波背景輻射，推測宇宙誕生時的成分。結果是，宇宙大爆炸時幾乎只產生了氫和氦兩種元素，還有少量的鋰。其他更重的元素，幾乎只能通過恆星核心的核聚變，以及超新星爆炸產生。

不過就算宇宙中存在合成各？種元素的機制，近130億年過去，宇宙中最主要的元素還是氫和氦。按質量計算，今天銀河系中氫元素佔74%，氦元素佔24%，兩者合計占宇宙總質量的98%。所以，在天文學家的元素周期表中，宇宙只有三種元素：氫元素、氦元素和金屬元素——是的，所有比氫和氦更重的元素都被天文學家稱為金屬。



第一代恆星與太陽的元素比例。第一代恆星幾乎完全由氫和氦組成，而太陽還包含天文學家稱為「金屬」的較重元素。圖片來源：NASA、ESA、CSA、STScI

宇宙大爆炸後第一批形成的恆星應該只由氫和氦組成，缺乏金屬元素導致氣體雲冷卻效率極低，只有質量足夠大的氣體雲才能塌縮形成恆星。所以宇宙第一批恆星的質量都非常巨大，一般質量可以達到太陽質量的幾十倍甚至數百倍。較大的體型導致其核心溫度很高，核聚變速率極快，這些恆星會在數百萬年內走向生命盡頭。在生命結束時，有些第一代恆星通過超新星爆發將核心聚變產生的金屬元素拋向宇宙，導致第二代恆星中金屬元素的含量更高。第二代恆星消亡後，第三代恆星金屬含量就更高了，而我們的太陽就屬於第三代恆星。

一顆恆星的金屬含量越低，說明它的形成時間越早，也就蘊含了更多來自宇宙極早期的秘密。可惜的是，今天的宇宙中已經沒有了第一代恆星，第二代恆星和第三代恆星的金屬含量也普遍較高。為了尋找金屬含量儘可能低的恆星，天文學家一般傾向於使用先進的望遠鏡觀測宇宙邊緣，尋找那些來自光錐盡頭的原始恆星。但其實，在鄰近的宇宙中，也可能存在一些金屬含量較低的第二代恆星。

來自宇宙之初

恆星的質量越大，壽命就越短。反過來，如果恆星的質量足夠小，壽命就會越長。如果一顆第二代恆星形成的時間足夠早，那麼它的金屬含量可能就會足夠低；如果它的質量足夠小，那麼它的壽命就可能足夠讓它從宇宙早期存活至今。天文學家就能從這樣的恆星中窺探宇宙初期的秘密。最近，天文學家就在大麥哲倫雲中發現了一顆幾乎沒有金屬污染的恆星，相關論文已經在預印本文庫公開。

這顆恆星被稱為SDSS J0715-7334，是一顆紅巨星。在它之前，已知金屬豐度最低的恆星是銀河系盤中的一顆恆星，金屬豐度在1.4×10-6以下。而這顆恆星的金屬豐度在7.8×10-7以下。作為對比，太陽的金屬豐度大約是1.6%。



SDSS J0715-7334（紅色五角星）的碳豐度和鐵豐度都極低，圖表橫坐標、縱坐標分別為恆星碳氫豐度之比的對數值、鐵氫豐度之比的對數值。圖片來源：原論文

SDSS J0715-7334的金屬豐度極低，以至於我們觀測到的最遙遠、最原始的星系的金屬豐度也是它的十倍。它是我們發現的最接近「純淨無金屬」狀態的恆星，天文學家也能從它極低的金屬豐度來推測它的身世。

首先，通過觀測碳、鎂和鐵等元素相對於氫的具體豐度，我們可以了解這顆恆星的母星大小。如果它是一顆第二代恆星，那麼它將來自一顆第一代恆星的超新星遺蹟，這顆第一代恆星質量應該只有太陽質量的30倍，質量小得令人驚訝。

另外，SDSS J0715-7334的碳含量異常低，這一點令人意外。因為第一代恆星質量較大，其中氦元素燃燒的碳氮氧聚變循環能夠高效地產生碳元素、氮元素和氧元素。碳的缺乏也表明在恆星形成區域存在大量塵埃冷卻氣體雲，因為只有氣體雲足夠冷，才能形成足夠小的恆星。

SDSS J0715-7334在大麥哲倫雲中的運動姿態也表明，它形成於小星系的氣體雲中，而不是一顆來自宇宙其他地方的流浪恆星。這意味着我們將來甚至有可能在銀河系中發現更多這樣的恆星。

宇宙中的第一代恆星早已經在數百億年前燃盡了，SDSS J0715-7334隻可能是一顆第二代恆星。但就連韋布空間望遠鏡（JWST）在宇宙早期發現的、最缺少金屬的高紅移星系，金屬含量也要比SDSS J0715-7334高10倍。這只能說明，韋布空間望遠鏡的觀測能力依然沒能觸及天文學家窺探第一代恆星的夢想。

所以說，就算就算耗盡心建造、發射韋布空間望遠鏡，人類依然沒能找到宇宙中的第一代恆星。我們對宇宙依然還有太多的不了解。很多時候並不是天文學家對誤差的容忍度太過誇張，而是宇宙尺度本身就橫跨多個數量級，讓天文學家不得不用對數、用數量級來描述我們對它的模糊認知。

參考連結：

https://www.universetoday.com/articles/the-most-metal-free-star-ever-observed-is-found-in-our-own-backyard

https://arxiv.org/abs/2509.21643