星族III恒星在潮汐瓦解事件中被黑洞吞噬，化成恒星碎片并发生耀发的构想图片。 （图片提供：太空望远镜科学研究所Space Telescope Science Institute/Ralf Crawford）

香港大学（港大）物理学系戴丽心教授的研究小组最近提出了一种崭新的方法，可用于探测此前从未被直接探测到的第一代恒星——「星族III」（Population III）恒星。这项研究获得国际天文学界的广泛认同，其中美国太空总署（NASA)旗下的太空望远镜科学研究所（Space Telescope Science Institute）对这项研究给予了高度评价。这项研究成果最近已在《天体物理学杂志通讯》（The Astrophysical Journal Letters）发表，有助揭开宇宙起源的秘密。

由宇宙大爆炸说起

宇宙大爆炸开始后不久，第一代恒星便开始形成，而其成分主要是氢和氦。这些被称为星族III的第一代恒星与太阳或今天正在形成的恒星截然不同。它们的温度极高，体积和质量都相当巨大，然而寿命却非常短暂。尽管如此，它们对于后代恒星和星系的形成非常重要，原因是今天我们周遭大多数比氢和氦重的元素，都是由星族III恒星所合成，可称为「第一代工厂」。然而，迄今为止，我们仍然未有直接将星族III恒星探测得到的证据，这是因为在宇宙早期形成的恒星过于遥远，而它们发出的光线对于在地球上或太空中的任何望远镜来说都是太过微弱，难以被探测得到。

有见及此，港大天体物理学家首次提出了一种新方法来探测这些在早期宇宙中形成的第一代恒星。由港大物理学系戴丽心教授领导的研究小组在这项研究指出，如果一颗星族III恒星移动到大质量黑洞附近，它将被黑洞的潮汐力撕裂成碎片。在这种潮汐瓦解事件（TDE）中，黑洞会大肆吞噬恒星碎片，并产生非常明亮的耀发（flares），即星系中心释放出大量能量的明亮闪光或辐射现象。戴教授的研究小组研究了这类TDE涉及的复杂物理过程，并证明这些耀发产生的辐射可以跨越数十亿光年到达我们今天所在之处。最重要的是，他们发现这些TDE耀发的独特特征可用来识别星族III恒星的存在，并探测它们的性质。

该项目的首席研究员和通讯作者戴丽心教授指出：「由于高能光子从非常遥远的距离发出，耀发的时间尺度会因宇宙膨胀而被拉长。这些TDE耀发将在非常长的一段时间内上升和衰减，这使它们有别于近期宇宙中太阳型恒星的TDE。」论文第一作者、港大物理学系博士后研究员Rudrani KAR CHOWDHURY博士进一步补充道：「有趣的是，耀发不仅时间尺度被拉长，辐射波长也被拉长。TDE发出的可见光和紫外光在到达地球时将被红移至红外波段。」

更令人兴奋的是，美国太空总署（NASA）的两项旗舰任务，包括最近发射的詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）和即将发射的南希-葛蕾丝-罗曼太空望远镜（Nancy Grace Roman Space Telescope）— 都能观测到这种来自远方的红外辐射。论文合著者之一、耶鲁大学天文及物理系的Priya NATARAJAN 教授提到：「罗曼望远镜同时拥有观测大面积天空和窥探早期宇宙深处的独特能力，这使其很有可能会探测到这些星族III恒星潮汐撕裂事件耀发，并将间接证明星族III恒星的存在。」该论文的共同作者、港大物理学系博士生郑诺欣女士补充说：「如果采取正确的观测策略，我们预计罗曼每年将探测到几十个这样的事件。」因此，借助这个研究的发现，在未来十年我们将有很有机会认证这些独特的发射源，并有望促成对星族III恒星的突破性理解，进而揭开宇宙诞生之初的神秘面纱。

有关此研究的论文：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad41b7

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