如何利用引力透镜寻找宇宙中的第一代恒星
宇宙的起源与早期演化，一直是天文学领域最宏大、最引人入胜的核心课题。在宇宙大爆炸后的漫长岁月里，第一批恒星悄然点亮了原本黑暗寂静的深空。这些远古的第三星族恒星（天文学家将恒星按形成年代划分为第一星族、第二星族，而尚未被直接观测到的宇宙初代恒星则被定义为第三星族），堪称宇宙万物演化的基石，为星系形成、重元素合成乃至生命诞生奠定了物质基础。然而，由于它们距离极其遥远、年代太过久远，人类始终难以直接捕捉其踪迹。如今，借助詹姆斯·韦布空间望远镜的卓越观测能力，结合宇宙天然的引力透镜效应，天文学家终于获得了探寻宇宙初代恒星、破解早期宇宙与暗物质之谜的全新利器。
解锁早期宇宙的奥秘
天文学家一直热切期盼着能够直接观测到宇宙中最早诞生的那批恒星。2024年圣诞节，詹姆斯·韦布空间望远镜从法属圭亚那成功发射，这趟为期一个月、目的地距离地球约150万千米的旅程充满了激动人心的时刻。尤其是其长达约一周的复杂展开过程：望远镜在发射前被折叠至公交车大小，却在太空中如同精密的折纸艺术般，缓缓展开出网球场大小的巨型遮阳板。
值得庆幸的是，韦布空间望远镜最终安全抵达预定轨道，并于2024年夏季正式投入科学观测。自此，这台史上最强的空间望远镜开始致力于解答天文学中最根本的问题，同时也带来了诸多意想不到的新发现。
其中最令人震惊的发现之一是：在宇宙年龄仅为当前3%的极早期阶段，竟然已经存在质量超过太阳百万倍的超大质量黑洞。这些庞然大物为何能如此迅速地形成，至今仍是未解之谜。一种主流理论认为，宇宙第一代恒星在短暂而辉煌的生命结束后，留下了质量相对较小的黑洞，这些黑洞随后通过引力作用相互并合，最终成长为百万倍太阳质量的超级黑洞。
然而，数千个小黑洞如何在短短数亿年内完成合并？这在宇宙演化尺度上堪称一瞬。要解开这个谜团，关键在于理解宇宙第一代恒星的性质与命运。而迄今为止，人类尚未直接观测到任何一颗这样的恒星。
探寻第三星族恒星：宇宙的“恐龙”
第三星族恒星因其原始的成分和巨大的质量，常被比喻为恒星中的“恐龙”。它们只存在于宇宙的婴儿时期，那时的宇宙化学环境极为简单。这些恒星几乎完全由氢、氦以及微量的锂等轻元素构成——这正是宇宙诞生初期仅有的几种元素。
在原始而致密的宇宙环境中诞生的第三星族恒星，其质量远超当今宇宙中的普通恒星。它们如同昙花一现的巨星，生命短暂却极其辉煌，在宇宙史上留下了深刻的印记。在仅持续数百万年的短暂生命中，第三星族恒星通过核心剧烈的核聚变反应，合成了大量的碳、氧、氮乃至铁等重元素。当它们最终以超新星爆发的形式终结时，这些新生的元素被抛洒到星际空间，为后续行星的形成乃至生命的出现播下了关键的“化学种子”。而在这场壮丽的爆发之后，其核心往往坍缩成一个黑洞。
尽管科学家尚未直接捕捉到单个第三星族恒星的身影，但这一局面很可能即将被打破。借助韦布空间望远镜以及自然产生的引力透镜效应，我们有望窥见第三星族恒星生命中的某个瞬间，或者捕捉到它们异常明亮的超新星爆发。我们甚至可能观测到环绕在其遗留黑洞周围、因吸积而发光的气体盘——在观测者看来，它们就像是微型的类星体。
人类竟有机会窥探这些来自时间尽头的遗迹，这本身就是一个奇迹。这些远古恒星不仅能帮助我们理解早期宇宙的图景，还可能为我们揭开宇宙最大的谜团之一——暗物质的本质。宇宙中充满了我们无法直接看见的暗物质，而第一代恒星发出的光芒在抵达地球的途中，必然穿过了这些暗物质，其光线所携带的信息或许能揭示暗物质的特性。
对早期恒星的探索，离不开一项关键的自然现象：引力透镜效应。即便是哈勃和韦布这样的顶级望远镜，也难以仅凭自身直接观测到遥远的第三星族恒星。幸运的是，宇宙为天文学家准备了成千上万个“天然望远镜”——大质量天体，它们能够放大背景深处遥远天体的影像。正如玻璃透镜可以弯曲光线，宇宙中的大质量天体能够弯曲其周围的时空结构。当星光穿过这片被弯曲的时空时，其路径会发生偏折。爱因斯坦的广义相对论预言了这种现象，即引力透镜效应。
宇宙中质量最大的天体是星系团，它们也构成了最强的天然引力透镜。一个星系团包含成百上千个星系，并弥漫着大量的暗物质，其总质量可达银河系的千倍以上。当我们将望远镜对准某个星系团时，其巨大的引力会同时放大并扭曲背景星系的影像。如果背景天体恰好位于透镜中心的正后方，它的影像便会被拉伸成一个近乎完美的圆环，即著名的“爱因斯坦环”。
当我们将韦布空间望远镜对准一个引力透镜时，就相当于在望远镜前加装了一个巨型放大镜，从而将其转变为一部强大的“宇宙显微镜”。引力透镜只能放大其后方的极小区域，这与光学显微镜的原理类似。这种放大效应并不均匀：在星系团后方的大部分区域，放大倍数通常不超过10倍；然而，在一些被称为“焦散线”的极狭窄区域内，放大倍数会急剧增强，甚至可能高达1万倍。
如果一个既微小又明亮的天体恰好落入某条焦散线，我们就能获得常规条件下无法企及的超高分辨率图像。当韦布空间望远镜对准这些区域时，其等效观测能力相当于口径扩大百倍，让我们得以以前所未有的清晰度窥探宇宙深处。实现这一技术的关键在于目标天体必须既小又亮，而第三星族恒星恰好完美符合这一条件。
闪烁的透镜：捕捉远古星光
天文学家正在步步逼近，即将获得观测这些隐匿恒星的“前排座位”。近年来，已有数颗恒星接连刷新了最遥远恒星的观测纪录。早在2016年，即韦布望远镜发射的五年前，天文学家利用哈勃空间望远镜，借助“宇宙显微镜”首次观测到了一颗名为“伊卡洛斯”的单体恒星。伊卡洛斯与我们的距离，是此前已知最遥远恒星的200多倍。
美国明尼苏达大学的帕特里克·凯利是发现这颗恒星的团队负责人，他借用希腊神话中飞近太阳的伊卡洛斯为之命名，以呼应其被极高倍数放大的特性。科学家最初注意到伊卡洛斯，是因为它在数月内的观测中亮度发生了显著变化。在浩瀚宇宙中，极少有天体表现出这样的亮度波动。在排除了其他可能性后，研究人员最终确定它是一颗蓝超巨星。
伊卡洛斯的亮度波动源于另一种透镜效应——由较小质量天体（如恒星）引发的“微引力透镜”。对于大多数天体，这种效应微乎其微。但对于像伊卡洛斯这样放大倍数在数周内显著变化的背景恒星，微引力透镜能导致其亮度发生可预测的明暗交替。当某个作为微透镜的天体（如一颗恒星或一个暗物质团块）与望远镜、主透镜星系团以及背景恒星恰好短暂排成一线时，背景恒星的亮度最高可激增10倍。这种特殊状态通常持续数周，其亮度变化模式是可预测的，从而让我们能够确认单颗恒星的存在。
微引力透镜效应主要由星系团内的某颗前景恒星产生，但也可能源自小规模的暗物质致密结构。在“宇宙显微镜”的成像系统中，微引力透镜就像一组额外的镜片，进一步提升了整个系统的放大能力。
伊卡洛斯作为“迄今观测到的最遥远恒星”的纪录仅保持了几年，便在2024年被名为“埃伦德尔”的恒星超越。这颗由约翰斯·霍普金斯大学和空间望远镜科学研究所团队发现的恒星，距离达到了伊卡洛斯的5倍之遥。当然，伊卡洛斯和埃伦德尔本身早已消亡，我们看到的是它们数十亿年前发出的光芒。例如，埃伦德尔呈现的是宇宙年龄仅为当前7%时的状态。据估计，埃伦德尔受到的引力透镜放大倍数接近1万倍，这是迄今观测到的最高水平。伊卡洛斯是人类迄今观测到的最接近第三星族恒星时代的星体。天文学家推测，在它所处的时代，部分第一代恒星可能依然存在——这意味着我们很快或将直接观测到它们。不过，要真正观测到第一代恒星，很可能需要回溯到更早的宇宙时期。
近年来，人类已在宇宙深处陆续发现了数十颗被透镜放大的独立恒星。它们的光芒穿越了大半个宇宙抵达地球，携带着沿途穿越物质的珍贵信息。这些光线甚至能帮助我们窥探暗物质的奥秘。暗物质是宇宙中占比最高的物质形态，却始终躲避着地球上所有探测器的直接捕捉。它可能由比电子还微小千万倍的粒子构成，也可能是质量与太阳相当的原初黑洞。但无论其本质如何，暗物质几乎不与普通物质发生相互作用。
值得庆幸的是，受透镜效应影响的恒星能帮助我们绘制暗物质的分布图并约束其性质。如果引力透镜中的暗物质形成了行星质量甚至更大的致密结构，那么这些结构就会对背景恒星的放大倍数产生微小但可测量的扰动。目前，已有研究团队在名为“哥斯拉”与“魔斯拉”的透镜化恒星中观测到了此类异常现象。这项研究发现了两个质量介于数万到数亿倍太阳质量之间的隐形结构。如果这些结构主要由暗物质构成，那么我们将能排除某些认为暗物质无法形成如此小尺度结构的理论。未来，对这些及其他透镜化恒星的持续观测，将帮助我们进一步缩小暗物质可能形态的范围。
在所有已知的透镜化恒星中，最壮观的或许要数位于“龙弧”星系中的那些。龙弧星系发现于20世纪下半叶，是人类发现的第一个引力透镜星系。该星系距地球约65亿光年，其内部多处区域的放大倍数超过百倍，使我们能观测到相当于韦布望远镜十倍口径才能捕捉的细节。2024年，韦布空间望远镜对龙弧星系进行了观测，通过识别微引力透镜引起的星光闪烁，一举发现了超过40颗单体恒星。对该星系恒星的研究表明，暗物质可能由质量极轻的粒子构成，甚至比理论预言的轴子还要轻。这些研究还暗示，暗物质可能具有一种被称为“模糊”的奇异量子属性，表现出波动的特征。
开启宇宙探索的新黄金时代
利用最尖端的空间望远镜，再借助自然界馈赠的引力透镜来观测古老恒星，我们正见证天文学迈入一个崭新的黄金时代。
韦布空间望远镜不断揭开遥远恒星的面纱，而更多新建的天文观测设备也已蓄势待发。美国航空航天局计划于2026年底发射的南希·格雷斯·罗曼空间望远镜，将覆盖约12%的天区，有望发现数千个新的遥远透镜星系。届时，在筛选出最可能是第三星族恒星的候选天体后，天文学家将利用韦布望远镜进行后续深度观测，期待能在高倍放大区域捕捉到这些原始恒星的踪迹。
其他空间望远镜，如欧洲空间局的欧几里得空间望远镜，正在监测更广阔的天区（约30%），并且已经发现了数量惊人的全新引力透镜。未来，当我们用韦布望远镜对这些透镜进行后续观测时，其中一些或许能率先揭示第三星族恒星的存在。
更令人振奋的是，美国航空航天局未来计划建造的“宜居世界天文台”（HWO），其部分性能将超越韦布空间望远镜。这台尚在论证阶段的超级望远镜，已展现出观测最遥远恒星的绝佳前景。例如，许多理论预测第三星族恒星温度极高，这种高温可能超出了更擅长观测低温天体的韦布望远镜的探测范围。
等到这台新望远镜发射升空之际，我们对那些最佳的天然引力透镜和最值得研究的透镜化星系的了解，必将迎来质的飞跃。又或许，在那之前首批“恐龙恒星”就将被确认，我们可以借助HWO对其展开更精细的光谱研究。这些强大的观测利器必将助力人类追溯更久远的宇宙历史，无限逼近宇宙诞生的起点。在揭示宇宙首批恒星奥秘的同时，我们也在追溯构成我们自身的元素起源。
相关攻略
借助韦布望远镜与引力透镜效应，天文学家得以探测遥远古老的宇宙第一代恒星。它们有望揭示早期宇宙与暗物质的奥秘，并通过亮度变化绘制暗物质分布图。未来先进望远镜将推动该领域进入黄金时代。
来源：科技日报 科技日报记者 刘霞 发现宇宙“活化石”：最原始恒星的秘密 宇宙早期的故事，往往就藏在那些看似普通的星光里。最近，一个由卡内基大学和芝加哥大学天文学家组成的团队，就为我们找到了一位来自宇宙黎明时期的“活见证者”。他们巧妙地结合了斯隆数字巡天第五期项目和智利麦哲伦望远镜的海量数据，最终锁
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