【科學講堂】析星體光譜線 尋宇宙「初代恒星」
宇宙中首批出現的恒星會是什麼樣子？對於這個問題，我們在理論上已有若干猜想，但仍希望能透過直接觀測來加以驗證。近日，天文學家便觀測到一個遠古星系，其中似乎藏有宇宙誕生初期的星體。以下將與各位分享此發現及其相關的物理知識。
愛因斯坦的廣義相對論指出，我們的宇宙一直處於膨脹之中，從而推導出宇宙源起於一個奇點的大爆炸理論。這同時也意味着，當我們將目光投向遙遠的太空深處，所見其實是宇宙過往的情景。然而，星光的強度會隨着距離衰減，因此遙遠的天體並不易觀測。
LAP1-B 星系正好是個「異數」：它恰好位於一個巨大星系團的後方。廣義相對論告訴我們，質量能改變光線行進的軌跡，因此質量極大的星系團便如同一個放大鏡，會將其後方天體的光線放大。LAP1-B 正巧落在適當的位置，其光線因而被放大了約一百倍，才能幸運地為詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）所捕捉。
儘管有引力透鏡的增益，來自 LAP1-B 的星光依舊微弱，尚無法分辨其中的個別恒星。因此，天文學家僅能推斷 LAP1-B 的整體恒星質量上限不超過 3,300 個太陽質量（ M☉），意味着它其實是一個極小型的星系。相較之下，我們所處的銀河系總質量估計高達 1,000 億個太陽質量。
幸而天文學家尚有其他途徑來探索星體特性。例如，不同元素的原子會發射出特定波長的光線（即光譜線），幫助我們確認特定元素是否存在於天體中；各種光譜線的強度更能協助判斷不同元素的豐度。透過這種光譜分析，LAP1-B 的組成呈現出極為特殊的樣貌。
常用來衡量天體重元素含量的氧與氫之豐度比，在 LAP1-B 中大約僅有太陽的0.4%。這是目前在已知仍持續形成恒星的星系中重元素比例最低的紀錄。
氧稀缺 碳元素含量高
與極度稀缺的氧形成強烈對比，LAP1-B 中卻含有異常多的碳元素。「極低氧含量卻伴隨高碳氧比」的化學構成與「初代恒星」（即星族Ⅲ恒星）爆發後所應產生的元素分布理論預測高度一致。
初期宇宙僅由氫、氦與微量鋰等輕元素構成，星族Ⅲ恒星內部雖無重元素，但其核心的核融合反應會逐漸將輕元素合成為更重的元素；當這些巨型恒星以超新星形式終結生命時，內部的合成產物（如碳）便被釋放到周遭環境中，從而提高所在星系的碳含量。
因此，LAP1-B 極端的元素組成，成為了其可能蘊藏星族Ⅲ恒星化學遺蹟的關鍵線索。
此外，LAP1-B 中的電離輻射似乎也異常劇烈。研究人員在該星系中發現了帶有三個正電荷的碳原子，這暗示 LAP1-B 內應存在能量極高的紫外線輻射場，足以讓部分碳原子失去三個電子。
結合前述的極端化學特徵，這進一步暗示星系中可能存在質量超過 100 個太陽質量的極端大質量恒星，它們正是星族Ⅲ恒星的預測成員。
近日對 LAP1-B 星系的觀測，為我們提供了研究星族Ⅲ恒星的寶貴契機。當然，其中仍存在若干待釐清的問題。LAP1-B 與任何已知星系皆有顯著差異，以至於部分分析可能隱含了不盡完善的假設條件。即使如此，能夠以直接觀測的方式，觸及宇宙初誕生之際的古老星體遺痕，確實是一項令人振奮的重大進展。
●杜子航 教育工作者 早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。
