現在，大家已經基本接受了這樣的觀念：

宇宙並不是從(cong) 來都是這個(ge) 樣子的，而是一直在演化，其中的天體(ti) 也不是與(yu) 生俱來的，而是經曆了從(cong) 無到有，從(cong) 少到多的過程。

那麽(me) ，現在宇宙中那些我們(men) 熟知的發光天體(ti) ：恒星、星係、黑洞等等，它們(men) 最早是怎麽(me) 來的呢？我們(men) 的銀河係非常古老，其中最老的恒星有一百多億(yi) 歲。宇宙中最早的發光天體(ti) 必然形成於(yu) 更早的時期，那時的宇宙還是一個(ge) 小孩兒(er) 。

圖1：宇宙的演化曆史。宇宙的年齡約137億(yi) 年，第一代發光天體(ti) 大概形成於(yu) 宇宙年齡在幾千萬(wan) 年到幾億(yi) 年之間，在這之前宇宙經曆了一段所謂“黑暗時期”（圖源：NASA）

第一代恒星

現在宇宙中的恒星基本都在星係裏，雖然星係之外也有一些“流浪”的恒星，但是它們(men) 原本也是在星係之內(nei) 的，隻不過在發生星係互相碰撞的時候，被撞的拋了出來。但第一代恒星並非如此，它們(men) 不是在星係裏形成的。或者說，那些宇宙中最早的一批恒星，當它們(men) 形成的時候，星係還沒有形成。

第一代恒星形成的時候，宇宙還非常年輕，暗物質在密度高的地方結團，形成暗物質暈，氣體(ti) 也隨之聚集在一起。這時候，這些氣體(ti) 的元素隻有氫、氦和少量的鋰，其它的元素還沒有形成，可供氣體(ti) 冷卻的途徑相對較少，主要通過氫分子冷卻。氫分子的冷卻效率不算高，不能把氣體(ti) 冷卻到很低的溫度，在收縮的過程中氣體(ti) 也不容易碎裂。

最終的結果是一個(ge) 暗物質暈內(nei) 隻能形成一個(ge) 或者若幹個(ge) 恒星。顯然，這樣的“恒星集團”被稱為(wei) 星係是不合適的，作為(wei) 比較，大家可以參考我們(men) 所居住的銀河係，銀河係裏有著約1000億(yi) 顆恒星！

圖2：左圖，第一代恒星的藝術想象圖；右圖，銀河係的藝術想象圖。早期宇宙中，一個(ge) 小質量的暗物質暈裏往往隻能形成一個(ge) 或幾個(ge) 恒星，而現在的宇宙裏，單單我們(men) 銀河係中就有多達1000億(yi) 顆恒星（圖源：左圖https://kipac.stanford.edu/media/first-starlight，右圖NASA/JPL-Caltech）

雖然形成的第一代恒星數量較少，但是就單個(ge) 恒星而言，質量卻比我們(men) 銀河係裏最常見的恒星要大得多，可以達到太陽的幾十倍甚至幾百倍，也有人認為(wei) 可以達到上千倍。第一代恒星的表麵溫度也更高，能到十萬(wan) 開以上（太陽的表麵溫度隻有約6000開），因此發出的光也更“硬”（高能部分占比大）。同時，它們(men) 的大氣中也不含金屬譜線。當然，它們(men) 壽命也比較短，隻有幾百萬(wan) 年。

以上這些獨有的特征，使得第一代恒星在觀測中很容易被區分出來。遺憾的是第一代恒星形成在宇宙很早的時候，大致在宇宙年齡為(wei) 幾千萬(wan) 年到幾億(yi) 年之間。因此它們(men) 離我們(men) 十分遙遠且十分黯淡。

例如，一顆100倍太陽質量的第一代恒星，如果形成在宇宙年齡為(wei) 3億(yi) 年的時候，它現在離我們(men) 約300多億(yi) 光年（沒錯，這個(ge) 數比宇宙年齡乘以光速大，這是宇宙膨脹造成的效應），此時它的亮度隻有約40等，比哈勃望遠鏡能夠看到的最暗的星星還要暗一萬(wan) 倍，很顯然沒法被現在的望遠鏡觀測到。

不過，第一代恒星爆發產(chan) 生的超新星會(hui) 非常亮，有可能被下一代的望遠鏡捕捉到。即將發射的，作為(wei) 哈勃望遠鏡的繼承者的詹姆斯·韋伯望遠鏡(JWST)，其科學目標之一就是捕捉來自第一代恒星的超新星爆發。

圖3：數值模擬給出的第一代恒星超新星爆發之後的情形。這個(ge) 超新星的前身恒星的質量為(wei) 200倍太陽質量，總共釋放了約1052爾格的能量。一顆這樣的超新星爆發，拋出的物質傳(chuan) 播的距離就可以達到銀心到太陽距離的約四分之一（圖源：Greif等人2008年的研究論文）

了解第一代恒星還有另外一種途徑，就是在我們(men) 的銀河係內(nei) 尋找古老的極端貧金屬星。相對於(yu) 第一代恒星（這樣的短命的龐然大物）而言，這些極端貧金屬星是一些小不點，但是壽命非常長，可以一直存活到現在。它們(men) 本身不是第一代恒星，但是它們(men) 大氣裏的金屬可能來自於(yu) 第一代恒星，它們(men) 好比化石一樣，記錄了早期宇宙的信息。

圖4：詹姆斯·韋伯望遠鏡（JWST）的探測範圍可以達到紅移約20，有可能捕捉到第一代恒星的信息（圖源：NASA）

第一代恒星形成之後，會(hui) 產(chan) 生一些對後續新恒星的形成不利的因素，這稱為(wei) “反饋”效應。比如它們(men) 產(chan) 生的輻射可以破壞掉能冷卻氣體(ti) 的氫分子，電離和加熱附近的氣體(ti) ，它們(men) 的超新星爆發可以把氣體(ti) 吹到暗物質暈的外麵。這些都不利於(yu) 後來的恒星繼續形成，因此初期的第一代恒星形成模式幾乎是“一錘子買(mai) 賣”。

當一顆或者一批第一代恒星形成之後，除非在它們(men) 死亡之後再經曆足夠長的時間，否則在同一個(ge) 或者附近的暗物質暈裏，很難再有新的恒星形成。我們(men) 一般認為(wei) 第一代恒星的形成是“self-limited”模式，即在有限的體(ti) 積內(nei) ，第一代恒星的數量會(hui) 有一個(ge) 上限。當然，這個(ge) 上限到底是多少，我們(men) 目前還不清楚，隻能期待未來的觀測能夠回答。

在宇宙演化中，第一代恒星起到了一個(ge) 很重要的作用，就是它的超新星爆發提供了最早的金屬元素，含有金屬的氣體(ti) 能夠更有效地冷卻，從(cong) 而形成下一代的恒星。

第一代星係

隨著宇宙繼續演化，當暗物質暈的質量再大一些的時候，一種新的、效率更高的冷卻機製開始發揮作用，同時暗物質暈內(nei) 的氣體(ti) 也更多。於(yu) 是，恒星就可以批量形成了。

更重要的是，由於(yu) 暗物質暈更大，引力勢阱更深，反饋效應並不能完全抑製住恒星的形成，而是努力尋求跟恒星形成的過程達成平衡的狀態。這樣，在暗物質暈裏麵，恒星的形成不再是“一錘子買(mai) 賣”，而是一個(ge) 持續的過程。這是第一代星係形成的一個(ge) 標誌。

恒星持續形成的結果就是，星係裏麵的恒星既有年輕的、也有年老的，如同我們(men) 的銀河係那樣，最老的恒星有一百多億(yi) 歲，而最年輕的才剛剛形成。

第一代黑洞

人們(men) 現在已經觀測到了許許多多不同種類的黑洞，比如銀河係裏有很多恒星級黑洞，某些矮星係中心可能存在中等質量的黑洞，以及活動星係核中心的超大質量黑洞等等。那麽(me) ，宇宙中的第一代黑洞是什麽(me) 呢？

一般來說，黑洞的形成需要恒星的形成作為(wei) 前置條件（這裏不考慮暴脹產(chan) 生的原初黑洞）。恒星耗盡燃料之後，其中心部分缺少壓強支撐，在引力作用下坍縮成黑洞，這是人們(men) 最熟悉的黑洞形成圖景。因此第一代恒星死亡之後形成的黑洞自然就是第一代黑洞。

圖5：黑洞是一種依然神秘的天體(ti) 。星係中心的超大質量黑洞有的很安靜，幾乎不發出任何輻射，有的則非常活躍，不斷吞噬周圍的物質，發出劇烈的輻射。目前人們(men) 依然沒有弄清超大質量黑洞的起源（圖源：NASA/JPL-Caltech）

這些黑洞的質量跟恒星差不多，它們(men) 像種子一樣，一旦遇到合適的條件，即充足的氣體(ti) 供應，就會(hui) 長大，最終從(cong) 幾十倍太陽質量的恒星級黑洞成長為(wei) 十億(yi) 甚至百億(yi) 倍太陽質量的超大質量黑洞。當然，這個(ge) 過程可能會(hui) 十分漫長，並且可能被打斷。詳細的研究表明，恒星級黑洞很難順利成長為(wei) 超大質量黑洞，因此，人們(men) 並不確定超大質量黑洞的種子是否來自於(yu) 第一代恒星。

除了上麵說的這種途徑之外 ，還有另外一種途徑也可以形成第一代黑洞。在一個(ge) 從(cong) 來沒有經曆過恒星形成且質量比較大的暗物質暈裏，如果它的氫分子被外界的輻射破壞掉了，氣體(ti) 將始終維持較高的溫度且無法碎裂。這種情況下，氣體(ti) 的中心部分可以直接坍縮成一個(ge) 黑洞，或者中心部分先形成一個(ge) 超大質量恒星，之後再坍縮成黑洞。

第二種途徑形成的黑洞被統稱為(wei) “直接坍縮黑洞”。它們(men) 的質量在剛誕生的時候就可以達到一萬(wan) 倍到一百萬(wan) 倍的太陽質量，屬於(yu) 我們(men) 常說的中等質量黑洞。如果把這些直接坍縮黑洞做為(wei) 種子，再成長為(wei) 超大質量黑洞就容易地多。

“直接坍縮黑洞”雖然解決(jue) 了超大質量黑洞的增長問題，但它本身的形成條件卻十分苛刻。首先，需要暗物質暈的質量比較大但又不能太大。另外，還要求它裏麵的氣體(ti) 始終保持“純潔”，即不受外界的金屬汙染和電離輻射的影響，但同時又能有足夠強的其它輻射來破壞掉氫分子。這就要求在它的附近，有一個(ge) 既不能太近又不能太遠的恒星或者星係。宇宙中有多少暗物質暈能滿足以上所述條件，這是有疑問的，因此直接坍縮黑洞的數量也難以估計。

這兩(liang) 種第一代黑洞形成的途徑，到底哪一個(ge) 給超大質量黑洞提供了種子，隻能留待將來的觀測來回答。

圖6：兩(liang) 種第一代黑洞形成的途徑，上為(wei) 第一代恒星死亡之後形成的恒星級黑洞，下為(wei) 直接坍縮形成的中等質量黑洞（圖源：張萌後期處理）

直到現在，並沒有任何直接坍縮黑洞被觀測到，可能是因為(wei) 它們(men) 既稀少又黯淡。直接坍縮黑洞的光譜與(yu) 普通的星係及類星體(ti) 相比，是有一些差異的，因此可以通過測光觀測進行初步的候選體(ti) 篩選，然後再進行細致的光譜觀測來甄別。

目前，利用哈勃望遠鏡和錢德拉望遠鏡，科學家們(men) 已經挑選了一些可能是直接坍縮黑洞的天體(ti) ，作為(wei) 候選體(ti) 留給以後更強大的望遠鏡做進一步觀測。當然也有一些曾經大家以為(wei) 是直接坍縮黑洞的候選體(ti) ，經過進一步觀測之後被排除掉了。未來，JWST望遠鏡有可能將篩選直接坍縮黑洞的候選體(ti) 作為(wei) 科學目標之一。

此外，直接坍縮黑洞也可能形成雙黑洞，這樣的雙黑洞互相繞轉，會(hui) 產(chan) 生頻率較低的引力波，也可作為(wei) 新一代空間引力波實驗的探測目標，例如我國的“太極”計劃和“天琴”計劃。

作者簡介

嶽斌，國家天文台研究員，主要從(cong) 事再電離、第一代發光天體(ti) 等相關(guan) 研究。

張萌，國家天文台在讀博士生，主要研究方向為(wei) 直接坍縮黑洞的形成。

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