这个星系可能藏有宇宙首批恒星的秘密——而且比我们想象的还要近

艺术家对Pop III巨星的想象。图片来源：uux.cn/NOIRLab/NSF/AURA/J. 达席尔瓦/Spaceengine

（神秘的地球uux.cn）据今日科学新闻：想象一下，通过遥远星系的光线，凝视宇宙的浩瀚，追溯其演化过程。数十亿年来，宇宙一直在展开、变化和膨胀。借助光穿越空间的方式，我们可以回顾这条宇宙时间线，几乎从一开始就见证历史的展开。但有时，当我们深入观察时，会发现一些并不完全符合我们理解大谜题的东西。有些东西既古老又诡异地陌生。

这正是由清华大学博士生蔡思佳领导的天文学家团队的案例。他们最新的发现发表在《天体物理学杂志快报》上，可能会改写我们以为理解的宇宙历史部分内容。他们发现了一个星系，乍一看似乎打破了宇宙演化的常规时间线，打开了一个可能改变我们对宇宙首批恒星认知的谜团之门。

在深入探讨这一发现之前，让我们先退一步。第一批恒星被称为第三代群星或第三代流行星，长期以来一直是宇宙学家的谜团。这些恒星形成于宇宙的早期，几乎紧接着大爆炸之后。它们独一无二——几乎完全由氢和氦组成，没有像氧或碳这样的“金属”，这些元素只能在恒星内部或标志其死亡的超新星爆炸中形成。

由于Pop III恒星被认为是有史以来最早存在的一代，他们对我们理解星系乃至生命如何形成极为重要。寻找这些恒星的过程持续了数十年，但它们一直难以捉摸。这些恒星形成的时代，被称为再电离时代，发生在大爆炸后的第一个十亿年内。如今寻找Pop III恒星的证据很困难，因为当我们能够观测大多数星系时，早期恒星产生的金属已经扩散到宇宙各处，用更重的元素“污染”了新形成的恒星。

因此，这场搜寻传统上聚焦于宇宙“童年”时期形成的星系——那是再电离时代之后，恒星还年轻，金属含量极少的时期。至少这是预期。但随后发生了意想不到的事。

蔡和同事们结合了包括詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）、超大望远镜（VLT）和斯巴鲁望远镜在内的多种强大望远镜，将注意力转向了一个约110亿光年的星系。这个星系被称为MPG-CR3（或CR3），其化学成分看起来异常“干净”。

CR3在如此古老的银河系中，是他们从未见过的。光谱特征——本质上是星系光的“指纹”——异常缺乏金属。虽然这一时期的大多数星系都明显存在像氧这样的重元素，但CR3几乎完全没有这些元素。这很出乎意料，因为到了宇宙历史的这个阶段，恒星早该已经存在、死亡，并将它们富含金属的残余散布到周围空间。相反，CR3似乎是一处原始遗迹，未被其他星系经历的宇宙“污染”所玷污。

研究人员发现，银河系中金属丰度——即银河系中重元素的含量——仅为我们太阳金属量的0.7%。这种极低的金属含量表明CR3可能包含比预期更早形成的恒星——甚至可能是Pop III的明星。这个银河系看起来像是一个独特的“时间胶囊”，里面装着早期宇宙中最早几代恒星的残余。

但数据中缺少一个关键特征：氦II（He II）发射线，该线通常存在于拥有Pop III恒星的星系中。这条线是拼图中的关键一环，因为它是这些首批恒星独特辐射的特征。然而，研究人员在从VLT收集的数据中未能检测到该病毒。他们发现的却是一条异常强的OH发射线，可能掩盖了He II信号。或者，He II 系列也可能已经消失，因为 Pop III 明星的发射特征通常在形成几百万年后逐渐减弱。

那么，这个星系是如何在再电离纪元约20亿年后形成的，依然保持如此未被其他恒星的金属污染呢？研究人员认为关键在于CR3的孤立性。该星系存在于所谓的“低密度区域”——一个宇宙虚空，远离其他活跃的恒星形成区域。

简单来说，CR3似乎是在宇宙中一个安静的角落形成的，远离其他星系的繁忙活动。正因为这种隔离，形成CR3的气体云没有被邻近星系恒星产生的金属“污染”。当气体云坍缩形成恒星时，其他宇宙事件的影响较小，使得它产生了一代纯净的恒星，可能是Pop III恒星，远比预期晚。

作者解释说，这种隔离很可能在保持CR3恒星原始、几乎无金属状态中起到了关键作用。这是一个宇宙的巧合，一场完美的风暴，使得一个星系比其他星系晚得多地形成，同时仍保持最早恒星世代的特征。

虽然这一发现令人着迷，但需要更多数据来确认CR3是否真的包含Pop III明星。He II线的缺失仍留下疑问，科学家们需要收集更多观测数据，可能来自未来的JWST观测，以最终确定这一谜团。如果银河系真的成为宇宙首批恒星的长期寻找家园，它将为科学家提供一个罕见且更便捷的机会，详细研究Pop III恒星。

这一发现的意义深远。Pop III恒星长期以来一直难以捉摸，若能发现一个宇宙意义上如此接近包含这些恒星的星系，将开辟新的研究方向。能够研究一个未被后代恒星污染的原始星系，可能会彻底改变我们对早期宇宙以及类似星系形成的理解。

这项研究之所以重要，是因为它挑战了我们对宇宙进化过程的理解。几十年来，科学家们一直在寻找关于最早恒星的线索，但发现像CR3这样的星系——一个似乎形成得比预期晚得多，却保留了最早恒星原始特征的星系——将动摇我们的理论。这表明宇宙的早期历史可能并不像我们想象的那么简单。

如果得到证实，CR3有望为我们提供一扇罕见的星辰形成曙光窗口，这可能为无金属恒星在星系演化中的作用提供关键见解。简而言之，这一发现可能是开启我们理解宇宙新篇章的关键——一个重写时间线、揭示塑造第一批星系乃至生命本身的宇宙过程的关键。

更多信息：蔡思佳等人，《无金属星系，z=3.19？》宇宙正午晚期三级恒星形成的证据，《天体物理学杂志快报》（2025年）。DOI：10.3847/2041-8213/ae1608