现在，大家基本都接受了这个观念：

宇宙并不总是这样，而是一直在演化。里面的天体并不是诞生的，而是经历了从无到有、从少到多的过程。

那么，我们今天在宇宙中所熟悉的发光物体：恒星、星系、黑洞等，最初是从哪里来的呢？我们的银河系非常古老，其中最古老的恒星已有超过100 亿年的历史。宇宙中最早的发光物体一定是在更早的时期形成的，当时宇宙还是个孩子。

图1：宇宙的演化历史。宇宙大约有137亿年的历史。第一代发光物体可能是在宇宙几千万年到几亿年之间形成的。在此之前，宇宙经历了所谓的“黑暗时期”（来源：NASA）

第一代明星

现在宇宙中的大多数恒星都在星系中。虽然星系外也有一些“流浪”的恒星，但它们原本在星系内部，只是在星系相互碰撞时被抛出去。但第一代明星的情况并非如此。它们不是在星系中形成的。换句话说，当宇宙中最早的恒星形成时，星系还没有形成。

当第一代恒星形成时，宇宙还非常年轻。暗物质在高密度的地方聚集形成暗物质晕，气体也聚集在一起。此时，这些气体的元素只有氢、氦和少量的锂。其他元素尚未形成。气体冷却的方式相对较少，主要是通过氢分子。氢分子的冷却效率不高。它不能将气体冷却到很低的温度，并且气体在收缩过程中不易碎裂。

最终结果是暗物质晕中只能形成一颗或几颗恒星。显然，将这样的“星团”称为星系是不恰当的。作为比较，你可以参考我们生活的银河系，它大约有1000亿颗恒星！

图2：左，第一代明星的艺术想象；对了，对银河系的艺术想象。在早期宇宙中，小质量暗物质晕中通常只能形成一颗或几颗恒星。然而，在当前的宇宙中，仅我们银河系就有多达1000亿颗恒星（来源：左图https://kipac.stanford.edu /media/first-starlight，右图为NASA/JPL-Caltech）

虽然形成的第一代恒星数量很少，但单个恒星的质量却比我们银河系中最常见的恒星大得多，可以达到太阳的几十甚至几百倍。有人认为可以达到几千次。第一代恒星的表面温度也更高，达到100,000 K以上（太阳表面温度只有6,000 K左右），因此发出的光也“更硬”（高能部分占了比例较大）。同时，它们的大气层不包含金属谱线。当然，它们的寿命也比较短，只有几百万年。

这些独特的特征使得第一代恒星在观测中很容易区分。不幸的是，第一代恒星在宇宙中很早就形成，年龄大约在数千万到数亿年之间。因此它们离我们很远而且很暗淡。

例如，如果一颗质量为太阳100倍的第一代恒星在宇宙3亿岁的时候形成，那么它现在距离我们大约300亿光年（是的，这个数字大于宇宙的年龄乘以光速。这是由宇宙膨胀引起的效应）。此时，它的亮度只有40等左右，比哈勃望远镜能看到的最暗恒星要暗一万倍。以目前的望远镜显然是不可能观测到的。

然而，第一代恒星爆炸产生的超新星将非常明亮，可能会被下一代望远镜捕捉到。即将作为哈勃望远镜的后继者发射的詹姆斯·韦伯望远镜（JWST）的科学目标之一是捕捉第一代恒星的超新星爆炸。

图3：数值模拟显示了第一代恒星超新星爆炸后的情况。这颗超新星的前身恒星质量为200 个太阳质量，总共释放出约1052 尔格的能量。当这样的超新星爆炸时，物质抛出的距离可以达到银河系中心到太阳距离的四分之一左右（来源：Greif等人2008年的研究论文）

了解第一代恒星的另一种方法是在我们的银河系中寻找古老的、金属极其贫乏的恒星。与第一代恒星（如此短命的庞然大物）相比，这些极度贫乏金属的恒星虽然很小，但它们的寿命却很长，可以存活到现在。它们本身并不是第一代恒星，但其大气层中的金属可能来自第一代恒星。它们就像化石一样，记录着早期宇宙的信息。

图4：詹姆斯·韦伯望远镜（JWST）的探测范围可以达到红移20左右，有可能捕捉到第一代恒星的信息（来源：NASA）

第一代恒星形成后，会存在一些不利于后续新恒星形成的因素。这称为“反馈”效应。例如，它们产生的辐射可以破坏氢分子，从而冷却气体，电离并加热附近的气体，它们的超新星爆炸可以将气体从暗物质晕中吹出。这些都不利于后续恒星的继续形成，所以最初的第一代恒星形成模型几乎是“一锤子买卖”。

当一颗第一代恒星或一组第一代恒星形成时，新恒星很难在同一个或附近的暗物质晕中形成，除非它们死亡后经过足够长的时间。我们一般认为，第一代恒星的形成是一种“自限”模式，即在有限的体积内，第一代恒星的数量存在上限。当然，我们目前还不知道这个上限是多少，只能期待未来的观察来回答。

在宇宙的演化过程中，第一代恒星发挥了非常重要的作用，那就是它们的超新星爆炸提供了最早的金属元素。含有金属的气体可以更有效地冷却，从而形成下一代恒星。

第一代银河系

随着宇宙的不断演化，当暗物质晕变得更大并含有更多气体时，一种新的、更有效的冷却机制开始发挥作用。结果，恒星可以批量形成。

更重要的是，由于暗物质晕较大，引力势阱较深，反馈效应不能完全抑制恒星的形成，而是力求与恒星形成过程达到平衡状态。这样，在暗物质晕中，恒星的形成不再是“一次性交易”，而是一个持续的过程。这是第一代星系形成的标志。

恒星不断形成的结果是，银河系中既有年轻的恒星，也有老年的恒星。就像我们的银河系一样，最古老的恒星已经超过100亿岁，而最年轻的恒星才刚刚形成。

第一代黑洞

人们现在已经观测到了许多不同类型的黑洞，比如银河系中的许多恒星黑洞、一些矮星系中心可能存在的中等质量黑洞、活动星系核中心的超大质量黑洞等。那么，宇宙中的第一代黑洞是什么？

一般来说，黑洞的形成需要恒星的形成为前提（这里不考虑暴胀产生的原始黑洞）。恒星耗尽燃料后，其中心部分缺乏压力支撑，在重力的影响下塌陷成黑洞。这是最熟悉的黑洞形成图片。因此，第一代恒星死亡后形成的黑洞自然就是第一代黑洞。

图5：黑洞仍然是神秘的物体。星系中心的一些超大质量黑洞非常安静，几乎不发射任何辐射，而另一些则非常活跃，不断吞噬周围的物质并发射剧烈的辐射。目前，人们仍未了解超大质量黑洞的起源（来源：NASA/JPL-Caltech）

这些黑洞的质量与恒星的质量大致相同。就像种子一样，一旦遇到合适的条件，即充足的气体供应，它们就会生长，最终从几十倍太阳质量的恒星级黑洞成长到数十亿甚至数百亿。质量是太阳两倍的超大质量黑洞。当然，这个过程可能会很漫长并且可能会被中断。详细研究表明，恒星黑洞很难成功成长为超大质量黑洞。因此，人们不确定超大质量黑洞的种子是否来自第一代恒星。

除了上述方法外，还有另一种方法可以形成第一代黑洞。在从未经历过恒星形成且质量相对较大的暗物质晕中，如果其氢分子受到外部辐射的破坏，气体将始终保持高温而无法碎裂。在这种情况下，气体的中心部分可以直接塌陷成黑洞，或者中心部分可以先形成超大质量恒星，然后塌陷成黑洞。

以第二种方式形成的黑洞统称为“直接塌缩黑洞”。它们的质量可以达到刚诞生时太阳质量的1万到100万倍，这就是我们常说的中等质量黑洞。如果将这些直接塌陷的黑洞作为种子，那么成长为超大质量黑洞就会容易得多。

“直接塌缩黑洞”虽然解决了超大质量黑洞的生长问题，但其形成条件却十分恶劣。首先，暗物质晕的质量需要相对较大，但又不能太大。此外，还要求其内部的气体始终保持“纯净”，即不受外界金属污染和电离辐射的影响，但同时有足够强的其他辐射来破坏氢分子。这要求它附近有一个既不太近也不太远的恒星或星系。宇宙中有多少暗物质晕能够满足上述条件值得怀疑，因此直接塌陷的黑洞数量也难以估计。

这两种形成第一代黑洞的方式中哪一种为超大质量黑洞提供了种子，只能通过未来的观测来回答。

图6：形成第一代黑洞的两种方法。顶部是第一代恒星死亡后形成的恒星级黑洞，底部是直接塌缩形成的中等质量黑洞（来源：张萌后期处理）

到目前为止，还没有观察到直接塌缩的黑洞，可能是因为它们既罕见又暗淡。与普通星系和类星体相比，直接塌缩黑洞的光谱有些不同。因此，可以通过光度观察进行初步的候选筛选，然后进行详细的光谱观察来识别它们。

目前，利用哈勃望远镜和钱德拉望远镜，科学家们已经选择了一些可能是直接塌陷黑洞的天体作为未来用更强大的望远镜进一步观测的候选天体。当然，也有一些曾经被认为是直接塌缩黑洞的候选者，但经过进一步观察已被排除。未来，JWST望远镜可能会将筛选黑洞直接坍缩的候选者作为其科学目标之一。

此外，黑洞的直接塌缩也可能形成双黑洞。这种双黑洞相互绕转并产生频率较低的引力波。它们还可以作为新一代空间引力波实验的探测目标，例如我国的“太极”计划和“太极”计划。天勤”计划。

关于作者

岳斌，国家天文台研究员，主要从事再电离和第一代发光体相关研究。

张萌是国家天文台的博士生。他的主要研究方向是直接塌缩黑洞的形成。

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主编：石硕

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编辑：万浩一、袁凤芳

编辑：赵宇豪、齐齐

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来源：中国科学院高能研究所