宇宙中的第一颗恒星在湍流模拟中亮相
这张图片来自对宇宙原始气体云的突破性模拟。宇宙的第一批恒星是在这些云中形成的。色阶显示气体密度。在这个阶段，其中一个团块已经超过了金斯不稳定性阈值，并开始坍缩成质量约为8.07太阳质量的第三星族恒星。图片来源：陈等，2025。天体物理学期刊快报
（蜘蛛网eeook.com）据《今日宇宙》（作者：Evan Gough）：了解早期宇宙是空间科学的一个基本目标。我们被驱使去了解自然，以及它是如何从大爆炸后的超高温等离子体进化到我们今天看到的结构化宇宙的。一个关键时刻是第一批恒星，即第三星族恒星，通过聚变点燃并照亮了周围的环境。
在第一颗第三星族恒星诞生之前发生了什么事件？它们是如何形成的，是什么类型的恒星？理解或观测早期宇宙存在障碍，尽管JWST通过观测第一个星系的光，在克服其中一些障碍方面做得令人钦佩。
但观测星系是一回事。观测130多亿年前单个恒星的形成在功能上是不可能的。幸运的是，超级计算机模拟可以让我们接近目标。
新的研究使用了尖端的GIZMO模拟代码和IllustrisTNG项目的数据来复制宇宙形成第一颗恒星的条件。
这项研究题为“原始恒星形成云中超音速湍流的形成”，发表在《天体物理学杂志快报》上。主要作者是台湾中央研究院天文与天体物理研究所的Ke-Jung Chen。
第一批恒星照亮周围环境之前的时期被称为黑暗时代。此时，宇宙已经冷却到足够透明，允许光传播。但是仍然没有恒星，所以没有光源。黑暗时代始于大爆炸后约37万年，并在数亿年后随着第三星族恒星的形成而结束。
这些模拟图像显示了暗物质迷你晕的形成以及气体如何落入其引力中。这些线条显示了气体的运动方向。最初，气体会扩散并平稳。随着迷你晕的形成，气体变得更加集中并流向晕。第三张图片显示了由朝向光环的不均匀气体流动产生的线状团块的出现。图片来源：ASIAA/何孟远&董培成
科学家们对黑暗时代仍有未解之谜。最大的谜团之一是暗物质。第一个暗物质迷你晕是如何坍塌并形成第一批恒星形成的支架的？导致恒星形成的原始气体云中的条件是什么？研究人员使用模拟来试图回答这些问题。
研究人员写道：“我们使用GIZMO代码对质量为1.05×107太阳质量的巨大迷你晕内第一个恒星形成云的形成和演化进行了新的模拟，并对原始气体冷却和化学进行了详细的建模。”。
“与之前在0.3-2 Mpc的较小宇宙箱中模拟第一颗恒星形成的研究不同，我们的工作采用了跨越50 Mpc的大规模宇宙学模拟IllustrisTNG的初始条件来研究产生第一颗恒星的原始云的形成。”
IllustrisTNG是一种众所周知且经常使用的宇宙模拟。研究人员能够通过一种称为粒子分裂的技术来提高IllustrisTNG的分辨率。这使他们能够以前所未有的规模追踪云中气体的运动，精确到秒差距的一小部分。
作者解释说：“我们使用粒子分裂技术将IllustrisTNG的原始分辨率提高了105倍，实现了极高的分辨率，使我们能够解决早期结构形成过程中引力坍缩驱动的湍流。”
模拟从暗物质迷你晕开始，它显示气体落入迷你晕的引力井中。气体以高速流入，并在与小暗物质结构相关的收敛点附近积聚。最终，形成了一个致密的云，其中含有稀薄的气体结构。当它坠落时，气体以五倍于音速的速度移动，产生超音速湍流。气体流向中心并开始旋转。
这些模拟图像显示了z=18.78处原始微晕的形态。这些面板显示了从40kpc到目标晕内部4pc的气体密度的连续放大。杂乱的结构在较小的尺度上变得越来越突出。在4个pc面板中，中心区域呈现出一个细长的致密团块，周围环绕着圆形流动的气体尾部，突显了坍塌核心内复杂的各向异性动力学。图片来源：ASIAA/何孟远&董培成
高速湍流将云分裂成几个稠密的原始气体团。湍流非但没有干扰恒星的形成过程，反而似乎在鼓励恒星的形成。其中一个团块有望形成一颗8太阳质量的恒星。
作者解释说：“这种演变表明，气体吸积是高度各向异性和不均匀的，导致块状结构，这些结构可能是由聚集的暗物质晕的潮汐力形成的。”。
“这是我们第一次能够解决第一颗恒星形成早期湍流的全面发展，”主要作者陈在一份新闻稿中说。“这表明，暴力、混乱的运动不仅存在，而且在塑造第一批恒星方面至关重要。”
天文学家对宇宙中的第一颗第三星族恒星感到好奇。一些研究表明，它们是在一个平稳的过程中形成的孤立的大质量恒星。然而，这些模拟表明，这些云被分裂成团块，Pop III恒星的数量比想象的要多，质量也比想象的小。
这些面板显示了原始DM迷你晕的物理特性。它们在模拟结束时显示了气体密度、暗物质分布、气体温度和马赫数。虚线圆圈显示了模拟的内部100秒差距。中央高密度区的气体正在冷却，使恒星形成。图片来源：ASIAA/何梦媛&董培成
这些结果可以解释一些困扰科学家的问题。如果Pop III恒星的质量如我们所想的那样大，那么它们中的许多应该已经爆炸成超新星，在下一代恒星中留下金属丰度的化学指纹，这是我们可以观察到的最古老的恒星。
但是，尽管研究人员发现了这种富集金属的迹象，但他们从未找到确凿的证据。如果这些模拟是正确的，我们就看不到这些化学指纹，因为第一批恒星并没有想象中那么大，而且很少像超新星那样爆炸。
作者在结论中写道：“我们的研究结果表明，早期结构形成可以自然产生超音速湍流，这在形成原始气体云和调节Pop III恒星的质量尺度方面起着至关重要的作用。”
这些高分辨率的模拟为早期宇宙打开了一扇新的窗户。如果《Pop III》中的明星没有想象中那么大，它就会改变我们对事件发展过程的理解。理论模型表明，Pop III恒星的质量在80到260太阳质量之间，它们会以成对不稳定超新星的形式死亡。
但这些类型的SN留下了尚未被观察到的独特特征。这些模拟表明，这些特征不存在的原因是我们的理论是错误的，需要更新。
陈说：“这一模拟代表了将大规模宇宙结构形成与控制恒星诞生的微观过程联系起来的一次飞跃。”。
“通过揭示湍流的作用，我们离理解宇宙黎明是如何开始的又近了一步。”
