以馬克斯·普朗克天文學研究所愛德華多·巴納多斯為首的天文學家發現了一個氣體雲，其中包含了星系和恆星形成早期階段的資訊，距離宇宙大爆炸僅有8.5億年（138.2億年前宇宙大爆炸誕生）。這片雲是在對一個遙遠類星體的觀測中偶然發現的，它具有天文學家從現代矮星系觀測中所期望的特性。當談到相對丰度時，氣體雲的化學成分令人驚訝地現代，這表明宇宙中的第一顆恆星一定是在宇宙大爆炸之後非常迅速地形成，其研究結果發表在《天體物理學》上。

當天文學家觀察遙遠的天體時，相當於會回顧過去，氣體雲的光是如此遙遠，以至於它的光花了近130億年才到達我們地球；相反，現在到達的光告訴我們氣體雲在大約130億年前是什麼樣子，也就是宇宙大爆炸後不超過8.5億年。對於天文學家來說，這是一個非常有趣的時代。在宇宙大爆炸後的最初數億年內，第一批恆星和星系形成，但這種複雜演化的細節在很大程度上仍然是未知的。這個非常遙遠的氣體雲是一個偶然的發現，當時在卡內基科學研究所工作的巴納多斯和同事們正在跟蹤幾個類星體。

這是由Chiara Mazzucchelli準備的，作為馬克斯·普朗克天文學研究所博士研究的一部分，對已知15個最遙遠的類星體(z³6.5)進行了研究。起初，研究人員只是注意到類星體P183+05有一個相當不尋常的光譜。但是，當巴納多斯分析了更詳細的光譜時，意識到還有其他事情在發生：奇怪的光譜特徵是距離遙遠類星體非常近的氣體雲痕跡，這是天文學家迄今還能識別出最遙遠的氣體雲之一，這也是智利拉斯坎帕納斯天文臺麥哲倫望遠鏡獲得的更詳細光譜。

類星體是遙遠星系中極其明亮的活躍核，類星體發光背後的驅動力是星系中心的超大品質黑洞。在黑洞周圍旋轉的物質(在落入黑洞之前)加熱到幾十萬度，釋放出巨大的輻射。這使得天文學家可以使用類星體作為背景源來檢測氫和吸收中的其他化學元素：如果氣體雲直接位於觀察者和遙遠的類星體之間，則類星體的一些光將被吸收。天文學家可以通過研究類星體的光譜來探測這種吸收，也就是類星體的光在不同波長。吸收模式包含關於氣體雲的化學成分，溫度，密度，甚至與我們(和類星體)的距離資訊。

這背後的事實是，每個化學元素都有一個光譜線“指紋”，即該元素的原子可以特別好地發射或吸收光的窄波長區域，特徵指紋的存在揭示了特定化學元素的存在和豐富程度。從氣體雲的光譜，研究人員可以立即知道氣體雲的距離，以及正在回顧最初十億年的宇宙歷史。同時還發現了一些化學元素的痕跡，包括碳，氧，鐵和鎂。然而，這些元素的量很小，大約是我們太陽大氣中丰度的1/800。天文學家將所有比氦重的元素統稱為“金屬”，這種測量使氣體雲成為宇宙中已知的最貧金屬(也是最遙遠的)系統之一。

這項新研究的合著者，卡內基科學研究所的Michael Rauch說：在確信宇宙大爆炸後僅8.5億年觀察到如此原始的氣體之後，我們開始懷疑這個系統是否仍能保留第一代恆星產生的化學訊號。找到這些第一代恆星，是重建宇宙歷史的最重要目標之一。在後來的宇宙中，比氫重的化學元素在讓氣雲坍塌形成恆星方面起著重要作用。但是那些化學元素，特別是碳，本身就是在恆星中產生，並在超新星爆炸中被拋向太空。對於第一批恆星來說，那些化學“促進劑”根本不會在那裡，因為在大爆炸階段之後，只有氫和氦原子。

這就是第一批恆星與所有後面誕生恆星根本不同的原因。分析表明，星雲的化學組成在化學上並不原始，相反，相對丰度與今天在星系間氣體雲中觀察到的化學丰度驚人地相似。重元素丰度的比率與現代宇宙中的比率非常接近，宇宙早期的這種氣體雲已經包含了具有現代相對化學丰度的金屬，這一事實對第一代恆星的形成構成了關鍵挑戰這項研究表明，這個系統中第一批恆星的形成肯定早得多：預期第一批恆星產生的化學產量，已經被至少另一代恆星的爆炸抹去了。

一個特殊的時間限制來自Ia型超新星，爆炸需要產生具有觀察到的相對丰度金屬，這樣的超新星通常需要10億年左右時間才能發生，這對第一批恆星如何形成的任何情況都造成了嚴重限制。現在天文學家已經發現了這種非常早期的氣體雲，他們正在系統地尋找更多例子。愛德華多·巴納多斯說：在宇宙歷史這麼早就可以測量金屬丰度和化學丰度，這是令人興奮的，但如果想要確定第一批恆星的特徵，甚至需要探索更早地宇宙歷史。研究人員樂觀地認為，將會發現更遙遠的氣體雲，這可能有助於我們理解第一批恆星是如何誕生的！

參考期刊《arXiv》《天體物理學》

Cite: arXiv:1903.06186