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宇宙中年龄最大的恒星是什么?它们有些为何会出现在银河系中?

“只要持之以恒,知识丰富了,终能发现其奥秘。”——杨振宁

自古以来,恒星在人们心中是永恒、恒心的代表,在我们有限的生命里,我们很难看到夜空中的星星会发生比较大的变化!但是我们现在知道,恒星也有年龄,它们也会生老病死,在宇宙的星系中有些恒星是在刚形成的新生儿,而有些恒星则是在宇宙诞生时期就已经形成的古老恒星,它们和宇宙的年龄相当。那么我们目前所知宇宙中最古老的恒星是什么?未来我们有没有机会找到宇宙诞生后形成的第一批(颗)恒星?首先我们根据赫罗图找到最古老的星团

仰望夜空,黑暗夜幕上散布着数万颗肉眼可见的恒星,而且它们看起来形态、颜色各异,其中一些非常耀眼,而一些则暗淡无光。有些星星的颜色是蓝色的,有些是白色的、还有黄色、橙色,甚至是红色,不同的颜色代表了不同大小和质量的恒星。其中还一些恒星的光度在不停的闪烁和变化,而另一些却是稳定不变的光源。这一切都表明恒星和我们人类一样拥有着丰富的多样性。

但是,我们看到的并不一定都是真的,视觉有时也会因为一些外在因素的干扰让我们产生错觉!例如夜空中疯狂闪烁的星星(如:天狼星)就跟地球大气的湍流有关,而与恒星本身固有的属性无关!下次我们在看到星星眨眼睛,那其实不是星星自身的光度在变化,而是星光穿过大气层时大气对星光的扰动造成的。

同样,有些恒星本身就比其他恒星更亮或着更暗。但由于离我们更远的恒星看起来就比较暗,而离我们近的恒星看起来就相对亮一些。因此恒星的表观亮度(看起来有多亮),并不能代表恒星的内禀亮度(实际有多亮)。但恒星的颜色是另外一回事。

一颗蓝色的恒星和一颗红色的恒星,它们的颜色并不会因为距离和大气的原因产生变化。恒星是质子,中子和电子这些正常物质被内部发生的核聚变加热到特别高的温度,由于存在温差,所以就会存在色差。当我们看到右边的参宿四和左边的参宿七时,我们看到它们表现出的色差就是真实的。

如果我们能知道恒星离我们有多远(通过视差法、变星、Ⅰa型超新星确定恒星的距离),然后根据恒星的表观亮度,我们就能算出它的内禀亮度,我们就会发现恒星的颜色和它的星等,或者说它的内在亮度之间存在一种普遍而重要的关系。

这种关系被称为赫茨普龙格-罗素图,它使我们能够确定一颗恒星的生命周期目前正处于哪个阶段。对于类太阳恒星来说(太阳质量的40%到400%之间的恒星)将以主序星的形式开始,直到核心的氢燃料耗尽,并停止核聚变,然后恒星会变亮,膨胀,稍微冷却,在这个过程中恒星会变成一个更加明亮的亚巨星(次巨星)。最终,恒星将开始在内核中融合氦元素,成为一颗真正的红巨星(Ⅲ巨星),恒星的颜色可能会在红黄之间的不同点上振荡。当核心氦元素耗尽时,外层会被吹到星际空间,核心会收缩成更热但明显更暗的白矮星。

当我们观察同时形成的恒星群(星团)时,因为最亮、最蓝的主序星消耗燃料的速度最快,因此我们可以通过观察星团中不同质量主序星的“消失”,或者说亚巨星的开始,就可以确定一个星团的年龄。

对于一个开放星团来说,它们的年龄范围从大约100万年到非常古老的一些例子,比如NGC 188,大约有50亿年,甚至比我们的太阳还要古老!但是在很多地方我们可以看到比NGC 188更古老的星团。

球状星团是整个宇宙中最古老的天体之一,如上图中的梅西耶56。它们的年龄通常超过120亿年,有些球状星团超过了130亿年,接近了宇宙本身的年龄,它们确实是来自宇宙不同时代的遗物。根据恒星中重元素的丰度,我们找到了目前所知最古老的恒星

研究球状星团对于回顾和理解宇宙最早期的阶段非常有用,因为更古老的天体是在离大爆炸更近的时期形成的!随着时间的推移,一代又一代恒星的生存和死亡,质量较大的恒星将其燃烧的燃料循环回星际介质中,形成下一代恒星其内部会含有更丰富的重元素。

我们的太阳是45亿年前形成的恒星,包含了大约(质量)70%的氢,28%的氦,以及1- 2%的“重元素”(意思是任何比氦重的元素)。恒星中的重元素很罕见,因为重元素需要恒星来融合!所以恒星形成的时间越早,重元素就越少,这意味着如果我们测量一颗恒星的元素含量,就能得到它的年龄信息。

梅西耶56中的恒星只有太阳重元素含量的1%,这在天文学上被称为金属丰度。据我们所知,银河系中有两颗恒星比它还要古老:一个是HE 1523–0901,只有太阳金属含量的0.1%,而另一颗是目前所认为最古老的恒星HD 140283,只有太阳的金属含量的0.4%。

那宇宙中最古老的恒星是哪一颗

确定一颗恒星年龄的问题在于:只有一颗恒星,我们不可能知道这颗恒星形成时,那部分宇宙的全部历史。为什么呢?因为宇宙在结构形成时,实在是太混乱了,我们无法追溯一颗古老恒星的起源。

你还记得宇宙最初是什么样子吗?如果想不起来,但你应该见过下面这张图片,它代表了早期宇宙完美平滑的温度波动。

蓝色区域或者说是冷点,只比平均温度低了0.003%,代表了宇宙中密度过高的区域,或者说物质密度略高于平均水平的区域。红色区域或者说是热点,只比平均温度高了0.003%,代表了宇宙中密度较低的区域,或物质密度略低于平均水平的区域。

随着时间的推移,密度过高的区域会优先吸引越来越多的物质,密度最大的区域首先会坍塌形成恒星,然后是星团,然后是小的原星系,最后是大的星系和星系团。

万有引力首先在最小的尺度上起作用,因为万有引力受到光速的限制。然而,在很长一段时间里,即使是最小的、密度过高的区域,即使是那些相对独立形成的区域,即使是那些首先在整个宇宙中形成结构的区域,最终也会与其他密度过高的区域合并在一起。

最终我们会得到巨大的螺旋星系和椭圆星系,以及一些矮星系和小星系,但最初形成的恒星不会不受影响的独立存在。换句话说,宇宙中的单个恒星会和其他结构在引力的作用下混合在一起。

根据我们最好的估计,宇宙中最早的恒星可能是在大爆炸之后的五千万到一亿年间形成的,或者是宇宙只有现在年龄的0.3到0.7% !就算未来詹姆斯·韦伯太空望远镜升空,我们也不可能看到那么遥远的过去。因此无论宇宙中的10^24颗恒星中,哪一颗是最古老的恒星,几乎可以肯定的是,我们无法找到并识别出最古老的恒星。

但我们可以确定的是,银河系中的一些恒星可能起源于宇宙最古老的时代,当然也可以追溯到宇宙还不到3亿年的时候!我们观察银河系中的每一颗恒星,新生的恒星与宇宙历史上古老的恒星已经完全混合在了一起,我们无法把它们分辨出来。这就是我们目前对宇宙中最古老恒星的理解和认识。

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