1万倍太阳质量，天文学家用韦伯望远镜发现迄今观测到的最大恒星

2025-11-24 10:20天文之最

天文学家利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）在早期宇宙中探测到一种异常的化学指纹，这可能是迄今为止理论预测中存在的最大恒星——质量达太阳1万倍的“天体怪兽”——存在的首个确凿证据。这一发现不仅打破了恒星形成的传统质量上限，更可能解开困扰天体物理学界多年的超大质量黑洞起源之谜。

在距离地球数十亿光年的深空，一场关于宇宙黎明时期的侦查正在进行。长期以来，天文学家认为恒星的质量存在一个不可逾越的“天花板”，即大约120倍太阳质量。然而，来自哈佛-史密森天体物理中心的德维什·南达尔（Devesh Nandal）及其团队在《天体物理学杂志快报》上发表的最新研究表明，这一规则在宇宙早期可能被彻底打破。通过分析遥远星系GS 3073的光谱数据，研究团队发现了一种无法用普通恒星演化模型解释的氮元素极端富集现象，指证了传说中的“超大质量恒星”曾经真实存在。

氮元素的化学指纹

这项研究的核心突破在于对星系GS 3073的化学成分分析。GS 3073位于红移z=5.55处，意味着我们看到的是它在大爆炸后约10亿年时的景象。韦伯望远镜搭载的近红外光谱仪（NIRSpec）以其前所未有的灵敏度，捕捉到了该星系内部气体的详细光谱特征。

数据显示，该星系中含有惊人数量的氮元素，而与其相对应的氧元素含量却相对较低。在恒星核合成理论中，这种极端的“高氮低氧”比例是一个非常特殊的信号。通常情况下，只有在极高温度下运行的碳氮氧循环（CNO循环）才能大量产生氮。

南达尔博士指出，普通的大质量恒星虽然也能进行CNO循环，但在其核心产生的氮元素往往被深埋在内部，只有在恒星生命末期的超新星爆发中才会释放出来，且伴随着大量的氧。然而，GS 3073呈现出的化学特征要求一种更为剧烈的机制：恒星必须拥有极高的核心温度（超过1亿开尔文），并且具备强大的对流机制，能够将核心生成的氮迅速输送到表面，并通过强劲的恒星风抛射到周围的星际介质中。

模型模拟显示，唯一能够符合这一特征的天体，是质量介于1000到10000倍太阳质量之间的超大质量恒星。这些“宇宙巨兽”不仅燃烧剧烈，而且能够在其短暂的生命周期内，如同高效的化工厂一般，彻底改变其所在星系的化学构成。

突破爱丁顿极限的物理挑战

艺术家描绘的大爆炸后1亿年第三星族恒星群的景象 NOIRLab/NSF/AURA/J。达席尔瓦/Spaceengine/M。扎马尼

这一发现对现有的恒星物理学提出了严峻挑战。在邻近的宇宙中，恒星质量受到“爱丁顿极限”的严格制约。当一颗恒星的质量过大时，其核心核聚变产生的辐射压力将超过引力，从而将恒星外层物质吹散，阻止其继续生长。这使得我们在银河系中极难观测到超过150倍太阳质量的恒星。

然而，早期宇宙的环境截然不同。那时的原始气体云几乎不含重元素（金属），这改变了气体的冷却和坍缩方式。南达尔团队的研究表明，在特定的高密度环境下——例如原星系团的中心——气体吸积率可以极高，使得原恒星在辐射压力将其撕裂之前，就迅速通过吞噬周围物质生长到数千甚至上万倍太阳质量。

这些超大质量恒星极其不稳定。与寿命长达百亿年的太阳不同，它们挥霍燃料的速度惊人，可能仅能存活约200万年。正是因为它们寿命极短，天文学家几乎不可能直接通过望远镜看到它们“活着”的样子，只能像法医一样，通过它们死后留下的化学灰烬——即此次观测到的氮过剩——来推断它们的存在。

超大质量黑洞的“种子”

确证超大质量恒星的存在，其意义远超恒星物理学本身，它为宇宙学中最棘手的难题之一提供了关键线索：超大质量黑洞是如何形成的？

韦伯望远镜此前在更遥远的宇宙（红移z10）中发现了质量达数十亿倍太阳质量的黑洞。根据传统的黑洞生长理论，如果黑洞是从第一代恒星（约100倍太阳质量）死后留下的种子开始生长，即使以物理极限速度吞噬物质，也来不及在宇宙诞生后的最初几亿年内长成如此巨大的规模。这被称为“时间紧缩问题”。

超大质量恒星提供了一个完美的解决方案。当这些万倍太阳质量的恒星耗尽燃料时，它们不会像普通恒星那样发生超新星爆发，而是因为核心无法支撑自身的巨大引力，直接坍缩成一个“中等质量黑洞”种子。这个种子的起步质量就是数千甚至上万倍太阳质量，这就好比在起跑线上领先了数百步。以此为基础，黑洞通过进一步的吸积和合并，完全有时间在宇宙的童年时期就成长为我们在类星体中观测到的那种庞然大物。

南达尔的研究表明，我们在GS 3073中看到的氮过剩，很可能就是这些第一代黑洞种子诞生时留下的“胎记”。这一发现将恒星演化、化学丰度异常与黑洞起源紧密联系在一起，描绘了一幅早期宇宙狂暴而壮丽的图景：在那片混沌的黑暗中，万倍质量的恒星短暂闪耀，随后坍缩成黑暗的深渊，成为了构建后来星系骨架的基石。