[비즈한국] 如今的宇宙中，有著數不清的繁星。但宇宙並非從一開始就有這麼多星星。在最初的宇宙中，既沒有恆星，也沒有星系，只有在量子力學尺度上發生的極其微小且混沌的波動。在充滿枯燥黑暗的宇宙中，不知從何時起，點點星光開始填補這片虛無。
宇宙的歷史中，必然存在過那一顆照亮最初黑暗的恆星。在天文學中，這類恆星被稱為“第三星族星”（Pop III stars）。雖然第一代恆星在宇宙漫長的歷史中一定存在過，但由於距離太過遙遠，我們從未親眼見過它們的真身。不，曾經以為如此。或許，我們一直以來都在凝視著那場極其著名的現場，尋找著夢寐以求的Pop III星光。
天文學將恆星世代大致分為第一星族（Pop I）和第二星族（Pop II）。太陽和周圍的年輕恆星屬於Pop I。比太陽年齡更久遠，約有100億年曆史的恆星則是Pop II。恆星世代的劃分取決於其蘊含的重元素丰度。隨著世代更替，恆星在消亡時會向宇宙留下更重的元素。在重元素還未豐盈的過去誕生的古老恆星，其重元素丰度較低；而隨著宇宙中重元素逐漸擴散，後來誕生的年輕恆星則含有更多的重元素。
Pop II恆星大量聚集在今天我們觀測到的球狀星團中。但這還不是宇宙中的第一批恆星。在它們之前，存在著真正的第一代。因此，我們將其稱為比Pop II更早的Pop III恆星。這些恆星應當是在大爆炸後首次誕生的。它們是在除氫和氦以外，沒有任何重元素的時期形成的。也就是說，它們的重元素丰度理應完全為0。
到目前為止，還沒有實際觀測記錄確認過這類恆星。遺憾的是，Pop III恆星由於質量太大，能夠穩定發光的週期極其短暫。相對於宇宙的年齡，它們就像轉瞬即逝的火花，極有可能在短暫閃耀後便迅速消失。即便現在搜尋再遙遠的宇宙，親眼目睹活著的Pop III恆星的機會也微乎其微。
近年來，偶爾會發現一些足以媲美Pop III的極其純淨的恆星。但即使如此，它們也僅僅是重元素丰度相對較低的恆星而已。真正的、完全不含重元素的Pop III恆星尚未被發現。即便存在，由於距離極其遙遠，也很難看清單顆恆星的光芒。那麼，我們是否可以期待看到僅由Pop III恆星聚集而成的最初的星系呢？
在宇宙盡頭發現了一個具有代表性的星系——GN-z11。它是哈勃空間望遠鏡觀測到的最遙遠的星系之一，最近韋布空間望遠鏡對其進行了更詳細的觀測。這個星系保留了大爆炸後僅4億年時那極其年輕的模樣，正處於所謂“黑暗時代”的邊緣，那裡沒有任何恆星或星系發光。
然而，在這個現場隱藏著令人震驚的存在。一個極其模糊、容易被忽略的小斑點出現在GN-z11星系旁邊。得益於韋布空間望遠鏡對波長比可見光更長的紅外線的觀測，它才終於現身。在這個小斑點中，完全沒有檢測到如果存在金屬成分就應該出現的“金屬線”痕跡。取而代之的是非常強烈的氦II發射線。這意味著此處幾乎沒有碳或氮等金屬，只有大量的電離氦。氦要電離必須處於極高的溫度，說明此處的溫度至少超過了10萬開爾文，氦正在被瞬間電離。如此純淨、充滿熾熱電離氦的狀態，與期待中Pop III星光的特徵完全吻合。
令人驚訝的不僅於此。隨後的進一步觀測中，在完全相同的斑點中不僅發現了電離氦，還檢測到了氫的痕跡。這意味著觀測並沒有出錯，確實存在一個完全沒有金屬痕跡、只聚集了氫和氦的地方。Pop III的可能性變得更高了。如果這個神秘現場確實位於與旁邊的GN-z11星系相似的距離，那麼這個斑點距離中心星系約有3000光年。
更深入地觀察發現，這個斑點大致分為兩個區域，分別標記為C1和C2。其中C1區域似乎完全看不到任何金屬成分的痕跡，是極其純淨的氫和氦團塊，極有可能是聚集了純粹Pop III恆星的區域。而C2區域看起來則受到了一些相對較重的元素的“汙染”，這可能是剛發生的超新星爆炸所產生的影響。
總而言之，這個斑點可以看作是一個純粹聚集了Pop III恆星的星團，其周邊剛剛發生了超新星爆炸，沾染了金屬成分的塵埃，隨之正在誕生下一代Pop II恆星的現場。這可能是宇宙歷史上從第一代恆星向下一代過渡的、宇宙最初的“世代交替”現場！天文學家們給這個斑點起了一個別名，即希臘神話中象徵青春的女神之名——“赫柏”（Hebe）。
GN-z11星系雖然是宇宙早期的星系，但其中心擁有一顆黑洞。然而，僅靠黑洞的能量無法完美解釋GN-z11相對於其體量顯得過於明亮的現象。這或許是因為該星系中混合了那些正處於演化後期、即將面臨死亡、質量巨大且明亮的恆星。如果是這樣，應該會出現明顯的重元素汙染痕跡，但事實並非如此。唯一能解釋這一矛盾的說法是，GN-z11星系中也聚集了大量純淨且耀眼的Pop III恆星。
透過分析“赫柏”斑點中那微弱卻強烈的光芒，結果顯示此處更多地聚集了質量在太陽10倍到100倍之間的巨大恆星。要解釋所觀測到的“赫柏”光譜及光線特徵，必須具備比輕恆星更多的巨大恆星。這與我們預期的Pop III恆星形態一致。最初的恆星質量比現在大得多，自然其壽命也就變得極其短暫。
這種強烈的太初星光必然在瞬間電離了周圍宇宙空間中的氫雲。在“赫柏”斑點中出現的電離氫和氦的發射線證明了這種可能性。隨著宇宙整體被電離，所有原子被分解，宇宙經歷了一段透明的時期。這段時期被稱為大爆炸後的“再電離時期”。如果此次發現的“赫柏”斑點確實是僅聚集了Pop III恆星的宇宙第一代星團，那麼這將成為人類首次親眼目睹“再電離時期”現場的案例。這可謂是真正地看到了宇宙黑暗結束、邁向本格光輝時代的那一扇門檻——也就是宇宙的黎明。
正如這樣仰望頭頂閃爍的繁星，藉此回味宇宙的時光，為您推薦新書《致地球人，來自星辰》。當我們仰望肉眼可見的那些熟悉星星，如獵戶座的參宿四、天蠍座的心宿二時，往往會想到星座和神話故事。但天文學家對這些故事並不怎麼感興趣，他們反而會想到星光中蘊含的宇宙秘密、夢想家們的偉大發現，以及這些星光在我們歷史中留下的靈感與痕跡。
有人看到星光戲弄國王，有人則因星光而夢想著邁向自由的大遷徙。曾經引導古老航海家在大海上航行的星星，如今也成為了飛向太陽系之外的探測器的導航員。
我們為何要仰望星光？這有什麼意義呢？幾年前，在一次採訪中，被問到為什麼要仰望星空時，我曾這樣回答：“如果那飛越了數百、數千光年的星光，最終沒能觸碰到任何人的眼眸，那它該是多麼失落啊。”或許，理解的真諦便在於此。
歷史上首次透過望遠鏡觀測星空並走近宇宙秘密的天文學家伽利略，為他記載發現的書籍取了一個絕妙的名字——《星際信使》（Sidereus Nuncius）。字面意思就是傳遞星星的訊息。仰望星光並傾聽天空，正是如此。“致地球人，來自星辰”正是星星寄給我們的信。星星寄出，我們收到的信。請翻開這本由夜空中最耀眼的十二道星光所傳達的、歷經138億年的長信故事吧。
參考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2026arXiv260320362M/abstract
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2026arXiv260320363R/abstract
作者池雄培（音譯）簡介：熱愛貓咪與宇宙。兒時在看過《銀河鐵道999》後，便立志要將宇宙之美傳達給世人。目前擔任世宗大學自由專業學部助理教授，積極從事講座與寫作等多種科學傳播活動。著有《每天一片宇宙》、《星光熠熠的宇宙科學家們》、《雖無法觸及但可知》、《看到宇宙就會浮現的奇怪問題》等書籍，並翻譯了《給真正航行宇宙的搭車客指南》、《我為何殺了冥王星》、《量子人生》、《Cosmigraphic》等作品。