极低金属度下，恒星风减弱得比预期更快

天文学家对宇宙最早期星系了解得越多，就越发现它们不同寻常。它们表现出的许多令人意外的性质，或许可以用其中的大质量恒星与银河系等星系中的大质量恒星之间的差异来解释。

在一项近期发表于《天体物理学杂志增刊系列》的研究中，研究团队利用哈勃空间望远镜开展的巡天任务——极贫金属O型星宝库（TEMPOS），对近邻星系中的大质量恒星进行了紫外观测。这些恒星是目前能够找到的、与早期宇宙恒星最为相似的研究对象。对它们的研究，正在帮助揭示早期星系中的恒星天体物理过程。

星系的引擎

大质量恒星——也就是质量超过太阳10倍的恒星——是推动星系演化的强大“引擎”。它们炽热、明亮，寿命十分短暂，会产生强烈的辐射，通过恒星风不断向外抛出物质，并最终以超新星爆发结束一生，将大量能量和物质注入周围环境。通过加热和调节那些能够冷却并形成新恒星的气体，它们能够深刻影响宿主星系的演化。

而大质量恒星自身的性质，又与它们形成时所处的化学环境密切相关。天文学家使用金属度来描述比氢和氦更重的元素的丰度。宇宙最早期的星系所含的重元素远少于今天的银河系，其中形成的大质量恒星也可能具有不同的物理性质。因此，要建立准确的早期星系模型，就不能只研究银河系中相对富金属的大质量恒星，还需要了解低金属度环境中的大质量恒星究竟是什么样的。

把目光投向近邻

然而，早期宇宙中的恒星距离我们极其遥远，很难对单颗恒星进行如此详细的研究。因此，TEMPOS 将目光投向了附近的低质量、低金属度的矮星系。这些星系虽然存在于今天的宇宙中，却拥有与早期宇宙中化学演化程度较低的星系相似的低金属度环境，因此其中的大质量恒星可以作为研究早期宇宙恒星的重要近邻参照。

TEMPOS对6个近邻矮星系中的29颗大质量恒星进行了观测，这些星系的金属度均不到太阳的五分之一。紫外光谱中包含着恒星大气中各种元素留下的详细特征，同时还能揭示恒星风的信息——恒星风会持续不断地将物质从恒星表面吹向外部空间。

这些位于银河系之外的大质量恒星非常暗弱，即使使用哈勃这样的强大望远镜，也需要进行长时间观测，其中单颗恒星的观测时间最多可达35小时。因此，29颗恒星的光谱数据，已经构成了这一极低金属度范围内十分难得的观测样本。

金属越少，恒星风越慢

大质量恒星会通过恒星风损失质量，而恒星风的强弱与金属度密切相关。天文学家预计，金属度越低，恒星风就越弱，恒星在一生中损失的质量也越少。

TEMPOS的观测首先显示出了预期中的整体趋势——随着金属度降低，恒星风所能达到的最大速度也随之下降。但研究人员还发现了一个出乎意料的迹象：这种关系可能并不是始终平滑变化的。在金属度低于太阳约10%的恒星中，恒星风速度的下降似乎变得更加剧烈，其降幅超过了根据较高金属度恒星中的变化趋势所作出的预期。

如果极贫金属星确实具有更弱的恒星风，它们在一生中就可能损失更少的质量，从而保留更多初始质量。这将进一步影响它们如何演化、如何死亡，以及如何向周围环境释放能量和物质，并最终改变它们对宿主星系演化的影响。

恒星的化学组成：氧与铁

不过，金属度本身还隐藏着一个问题：不同元素的丰度并不一定以相同的方式变化。对于大质量恒星而言，尤其重要的是铁元素。铁在驱动恒星风和决定恒星如何演化等过程中，都发挥着关键作用。

然而，在贫金属环境中，铁丰度很难直接测量。因此，天文学家通常利用星系气体中的氧来估算其金属度，因为氧离子受到大质量恒星照射时，会产生明亮而容易观测的发射线。但这实际上隐含了一个假设：氧丰度与铁丰度能够彼此对应，而实际上这二者并不一定始终同步变化。

TEMPOS团队测量了紫外光谱中那些难以探测的铁吸收特征的强度。简单来说，就是观察铁吸收掉了多少原本来自恒星的紫外光。结果显示，与贫氧（低金属度）星系中的恒星相比，富氧（高金属度）星系中的大质量恒星通常表现出更强的铁吸收；与此同时，不同恒星之间的铁吸收强度存在明显差异，表明这些贫金属恒星可能覆盖了相当宽的铁丰度范围。

借助这一更大的恒星样本，研究人员得以开始系统研究在极低金属度环境下，铁丰度的变化如何影响大质量恒星的恒星风及其他物理性质。

样本量很重要

在TEMPOS前，对这种极低金属度大质量恒星的研究长期受到样本量过小的限制。此前，研究人员曾对其中3颗恒星进行过详细建模，但如此有限的样本很难揭示恒星性质随金属度变化的整体趋势。如今，TEMPOS建立了一个包含29颗恒星的统一光谱样本，使研究人员第一次能够在更大的统计尺度上寻找这些规律。

而这项工作还只是一个开始。研究人员正在将哈勃获得的紫外光谱与凯克天文台的可见光观测结合起来，对这些恒星进行更加精细的建模，进一步测量它们的化学元素丰度、恒星风驱动的质量损失率等关键性质。

这些结果将帮助天文学家建立更加完善的低金属度大质量恒星模型，并进一步理解这些恒星如何影响年轻宇宙中的星系。这一点对于解释韦布空间望远镜（JWST）正在获得的早期星系观测尤为重要：随着越来越多不同寻常的早期星系被发现，我们需要更加准确地理解其中的大质量恒星，才能知道这些星系究竟如何形成和演化。

#参考来源：

https://attheu.utah.edu/facultystaff/galaxies-in-the-early-universe-are-weird-these-stars-may-explain-why/

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4365/ae95f6

#图片来源：

封面及首图：NASA, STScI/A. Schaller