近日，中國科學院大學天文與空間科學學院副教授王鑫團隊基于詹姆斯韋伯空間望遠鏡（JWST）近紅外光譜儀采集的數據，針對一個132億年前的高紅移（z=8.16）星系的星族與星際介質的物理性質進行了精確刻畫，發現其中有可能存在第一代恒星（Population III stars）。該工作以快報形式發表于The Astrophysical Journal Letters，被美國天文學會Nova科技媒體專題報道。

    第一代恒星主導了宇宙中首批金屬元素的產生，并對宇宙再電離過程——這一整個宇宙作為整體進行的最后一次相變——提供了主要的能量來源。與現在的宇宙狀態截然不同，再電離時期的宇宙由于星系際介質充斥著中性氫原子氣體，吸收了所有紫外光子，使宇宙變得不透明。當第一代恒星閃閃發光并聚集成第一代星系時，它們開始侵蝕不透明的宇宙，切割出越來越大的電離氣體氣泡，逐漸使整個宇宙透明起來。天文學家對第一代恒星（又稱星族三恒星）的性質非常感興趣，但要找到它們卻談何容易。僅由星族三恒星組成的星系可能會被中性氣體云包裹并遮擋，從而無法被發現，而星族三恒星與后代恒星族群混合在一起的星系可能更容易被發現。

WST 拍攝的星系 RX J2129-z8He II 的圖像，

該星系受到前景星系團 RX J2129 的引力透鏡放大作用。

    最近，由中國科學院大學天文與空間科學學院王鑫副教授領導的研究小組可能發現了這樣一個星系。利用JWST的圖像，王鑫及其合作者發現了被命名為RX J2129-z8He II的星系，即使在全世界最強大的JWST紅外望遠鏡眼中，它也只是一個幾乎無法辨認的紅色斑點。JWST 對這個星系的光譜顯示，它的紅移為 z = 8.1623，距離宇宙大爆炸只有 6.13 億年。RX J2129-z8He II的紫外光譜斜率非常陡峭，比任何其他已被證認的紅移大于7的星系都要藍，而且有幾條突出的發射線，包括一條來自兩次電離氦原子的復合發射線 He II 1640。這些因素表明，該星系含有一個強大的紫外輻射源。在仔細排查了所有可能的產生如此明亮的He II 1640發射線以及帶來如此極端的發射線流量比的原因后，王鑫的研究小組認為，大質量星族三恒星最有可能是這些電離紫外線光子的來源。

RX J2129-z8He II 的 JWST 光譜，插圖顯示 He II 1640譜線

    為了驗證這一理論，王鑫的研究小組使用精細的光致電離模型模擬了這個星系的特性，得到的結論支持了該星系包含星族三恒星和后代恒星。他們發現，總質量為 78 萬太陽質量的星族三恒星的集合可以再現星系光譜中的觀測發射線。至于這個星系是如何容星族三恒星和后代恒星族群的，王鑫的研究小組認為，原初氣體或極低金屬豐度氣體被星系主體吸積，在吸積掉落的過程中坍縮形成了星族三恒星。這與近期發表的宇宙學數值模擬所展示的星族三恒星的一種可行的形成機制不謀而合。

    這項研究標志著在尋找第一代恒星方面取得了可喜的進展。除了確定RX J2129-z8He II可能是第一代恒星的家園之外，王鑫的研究小組還對這些恒星的光譜特征有了更好的了解，這可以用來確定可能孕育它們的其他星系。

    此工作受到國家自然科學基金委面上項目（編號12373009）、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊項目（YSBR-062）、高水平科技人才培育與穩定支持專項、小米青年學者和中國載人航天工程科研項目的資助。

    發表文章鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad4ced

    美國天文學會專題科學報道：https://aasnova.org/2024/07/08/signs-of-the-first-stars-in-a-distant-galaxy/