你有沒有想過，宇宙里第一批發(fā)光的星星，到底長什么樣？

說實話，以前科學(xué)家腦子里那幅畫面特別宏大——在極早期宇宙的某個暗物質(zhì)暈里，一大團純氫和氦緩慢聚攏，最終點燃一個質(zhì)量是太陽幾百倍的超級巨獸。這顆星又亮又燙，孤零零地照亮周圍幾十光年，然后很快把自己炸掉，往宇宙里灑下第一批重元素。故事很美，干凈利落。

但最近，一幫天體物理學(xué)家突然覺得這件事不太對。他們說，等等——那個環(huán)境可能一點都不平靜。

本周發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》上的一項新研究，重新打量了初代恒星誕生的產(chǎn)房。論文標(biāo)題就挺直白：《原初暗物質(zhì)暈中的湍流及其對第一代恒星形成的影響》。第一作者是來自臺灣臺北“中央研究院”天文及天文物理研究所的何孟遠(yuǎn)。他們用一套超級計算機模擬程序跑出來的結(jié)果，指向一個讓人有點意外的方向：第一代恒星，可能沒那么大。

我們先說清楚一個背景。在天文學(xué)圈里，第一代恒星有個專門的名字，叫“星族 III 恒星”。你可以把它們理解成宇宙劇本里的第一幕主角——在它們出現(xiàn)之前，整個宇宙什么都沒有，只有氫、一點點氦，以及看不見摸不著的暗物質(zhì)。大爆炸冷卻之后那幾億年里，宇宙就是一片冷、黑、毫無生氣的荒原。氫氣團飄來飄去，什么都不會發(fā)生。

直到第一顆星族 III 恒星被點燃。

之所以這件事很重要，是因為這些恒星決定了后來的一切。它們在核心把氫和氦燒成更重的元素——碳、氧、鐵——然后通過爆炸把這些東西扔得到處都是。你身體里的碳、你呼吸的氧、你腳下巖石里的硅，歸根到底都要追溯到某一顆或者某幾顆星族 III 恒星的內(nèi)臟。所以搞清楚它們到底長什么樣、有多重，不只是滿足好奇心，而是在畫整個宇宙演化的起點。

過去幾十年的主流圖像是這么畫的：初代恒星應(yīng)該非常巨大，輕易就能長到太陽質(zhì)量的 40 倍到 500 倍。邏輯鏈也不復(fù)雜。今天的恒星在形成的時候，分子云里有各種金屬元素——天文學(xué)家把所有比氦重的元素都叫“金屬”——這些金屬能夠有效輻射熱量，幫著氣體云降溫。一降溫，氣體壓力就變小，引力就更占優(yōu)勢，云團就更容易碎裂成小塊，形成質(zhì)量不算太大的恒星。

但宇宙剛開場的時候沒有金屬。一點都沒有。原初氣體是純粹的氫和氦，冷卻主要靠微量的氫分子。氫分子的冷卻效率遠(yuǎn)比金屬差，這就意味著原初氣體云不太容易把熱量散掉。氣體一直熱乎乎的，壓力就大，想要讓一團云在引力作用下坍縮，它得攢到非常大的質(zhì)量才能把內(nèi)部的熱壓力壓過。這個門檻在天體物理里有個專業(yè)名字，叫金斯質(zhì)量——大致可以理解為“一團氣如果想自己壓垮自己，至少得多重”。沒有金屬冷卻時，金斯質(zhì)量被抬得很高，所以傳統(tǒng)理論推斷出來的初代恒星自然就往巨大了長。

這個推理看起來沒什么毛病。何孟遠(yuǎn)和同事們也在論文里復(fù)述了這條邏輯：“與現(xiàn)代的恒星形成不同，原初環(huán)境中缺乏金屬線冷卻，導(dǎo)致金斯質(zhì)量顯著提高，從而形成質(zhì)量更大的恒星。”然后他們補了一句早期理論給出的數(shù)字：星族 III 恒星的質(zhì)量范圍大概在 40 到 500 個太陽質(zhì)量之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們在本地宇宙看到的普通恒星。

但問題就出在這里。

近些年的數(shù)值模擬把一個新變量推到了案前：湍流。想象一下你往一杯咖啡里緩緩滴入一滴奶精。如果杯子完全靜止，奶精會優(yōu)雅地沉下去，擴散成一個漂亮的云團，所有東西都規(guī)規(guī)矩矩。當(dāng)初的經(jīng)典星族 III 模型，差不多就是這么想的——暗物質(zhì)暈里的氣體平靜聚攏，不慌不忙地坍縮，最終形成一個巨大單一的核心。

可是你如果拿起勺子攪一下杯子呢？奶精就不會規(guī)規(guī)矩矩走路了，它會拉絲、打轉(zhuǎn)、碎成各種奇怪的小團塊。原初宇宙里的氣體可能也是這么一回事。

何孟遠(yuǎn)團隊的想法是，原初暗物質(zhì)暈內(nèi)部也許一點都不平靜。小的氣體團塊往中心掉的過程中，彼此之間會產(chǎn)生復(fù)雜的糾纏和擾動，這種擾動就是天體物理意義上的“湍流”。湍流一旦起來，會把氣體攪散，讓質(zhì)量不能全集中到同一個地方，而是在不同位置同時催生好幾個更小的坍縮核。換句話說，一個 500 倍太陽質(zhì)量的大恒星可能并不是故事的必然結(jié)局。現(xiàn)實有可能是同時或者先后蹦出好幾個質(zhì)量只有幾十個太陽質(zhì)量、甚至幾個太陽質(zhì)量的小型星族 III 恒星。

為了驗證這種猜測，他們用了一套叫做 Illustris TNG 的模擬系統(tǒng)。這是一項仍在持續(xù)進行的宇宙學(xué)流體動力學(xué)模擬項目，專門用來在超級計算機上重現(xiàn)星系的形成過程。為了讓模擬能夠看清暗物質(zhì)暈里極小尺度的氣流細(xì)節(jié)，研究團隊特意調(diào)高了粒子分辨率——用他們自己在論文里的話說，“這使我們能夠解析微型暗物質(zhì)暈早期組裝階段的氣體吸積過程，并捕捉到強湍流的出現(xiàn)。”

他們選出了 15 個原初微型暗物質(zhì)暈作為樣本，這些微型暈是極早期宇宙里暗物質(zhì)最致密的疙瘩，也就是第一代恒星的搖籃。模擬的起始時間設(shè)在大爆炸之后僅僅 3 億年左右的階段，那個時候整個宇宙的年齡還不到現(xiàn)在的 3%。

結(jié)果怎么樣？模擬清楚地顯示，氣體在落入暗物質(zhì)暈中心的過程中的確發(fā)生了劇烈的湍流。這些湍流不是邊角效應(yīng)，而是主流——它從根本上改變了氣體坍縮的節(jié)奏和形態(tài)。本來要默契會合的一大團氣體，被攪成了好幾股支流，每條支流獨立往自己的引力中心凝聚。

這件事本身并不算石破天驚的新想法。何孟遠(yuǎn)他們在論文里也老老實實回顧了前人的腳步。最近幾年，已經(jīng)有一些研究小組用不同的模擬方法得到了類似的暗示：星族 III 恒星的質(zhì)量分布可能比早期理論預(yù)計的更寬，低質(zhì)量端的占比比想象中要多。他們在文中寫道：“總體而言，這些研究表明，早期宇宙中星族 III 原恒星的質(zhì)量分布范圍大約在十分之幾個太陽質(zhì)量到幾百個太陽質(zhì)量之間。” 并指出湍流和反饋等因素會改變最終的結(jié)果。

這就意味著，我們對宇宙第一批燈火的認(rèn)知，正在經(jīng)歷一次安靜的修正。那些最早的發(fā)光體，可能并不全都是獨來獨往的龐然大物。它們當(dāng)中或許混著大量“普普通通”的小家伙，只不過因為質(zhì)量小、光線弱，活得更久，對周圍環(huán)境的化學(xué)污染方式也完全不同。

這里面還有一個很有意思的連鎖反應(yīng)。恒星的質(zhì)量直接決定了它的命運。一顆 200 倍太陽質(zhì)量的大家伙，可能燒個幾百萬年就炸了，炸完后留下一個黑洞，順帶把重元素撒得又遠(yuǎn)又均勻。但一顆 10 倍太陽質(zhì)量的小型星族 III 恒星，壽命可以拉長到幾千萬年，爆發(fā)沒那么劇烈，產(chǎn)生的元素比例也不一樣。如果宇宙初期的恒星組成是“大塊頭加小個頭”的混合編隊，那么早期宇宙的化學(xué)演化史就得重新估算——包括第一代星系長得有多快、什么時候出現(xiàn)足夠多的碳和氧去支撐行星和生命的可能。全都跟這個起點有關(guān)。

當(dāng)然，這些都是沿著論文邏輯順勢推出來的圖景，不是已經(jīng)定論的東西。何孟遠(yuǎn)團隊并沒有說“我們已經(jīng)找到了星族 III 恒星的真實樣子”。他們只是說明了一件事：以前被忽略的湍流，很可能是個重要角色。而一旦把這個角色放進劇本，初代恒星的畫像就變得更加多樣，也更接近我們在本地宇宙里熟悉的恒星形成方式。

可能從一開始，宇宙造星的手法就沒那么極端。只是我們隔著一百多億年往回看，最先注意到的總是那些最亮最吵的家伙。想看清角落里安安靜靜的小個子們，還得多花點功夫。不過好消息是，下一代太空望遠(yuǎn)鏡和地面的大型巡天項目正在往這個方向努力，也許在不太遠(yuǎn)的將來，真的能在某個遠(yuǎn)得不可思議的星系光譜里，捕捉到那些由湍流塑造的、質(zhì)量并不那么嚇人的第一縷星光留下的痕跡。