早期宇宙星系GS 3073中异常高的氮氧比是寻找宇宙初代恒星踪迹的证据

天文学家通过詹姆斯・韦布空间望远镜（JWST）在星系GS 3073中观测到异常高的氮氧比，这一发现可能成为揭开宇宙初代恒星之谜的关键线索。这些被称为“第三星族星”（Pop III stars）的宇宙最早恒星，诞生于大爆炸后约1亿年，由原始氢、氦和微量锂构成，寿命短暂却质量惊人——相当于太阳质量的1000至10,000倍。它们死亡时爆发的超新星，将内部合成的元素抛洒至宇宙空间，留下了持续百亿年的化学印记。

氮超标的颠覆性：为什么它指向初代恒星

在星系GS 3073中，氮元素相对于氧元素的丰度高达普通星系的数倍，这种异常现象无法通过当代恒星演化模型解释。现有理论中，氮通常由中小质量恒星通过碳氮氧循环缓慢产生，但GS 3073存在的时代（红移z=5.55，宇宙年龄约10亿年）根本没有足够时间让这类恒星完成演化。研究团队通过恒星模型模拟发现，只有质量在1,000-10,000倍太阳质量之间的超重初代恒星，才能在其短暂的生命周期内通过特殊核聚变过程产生如此高比例的氮。较弱的恒星无法达到所需的高温高压环境，而更重的恒星则会产生过多氧元素，与观测数据不符。

韦布望远镜的突破：从理论到证据的跨越

此前对初代恒星的研究大多基于理论推演，而JWST的红外探测能力使其首次能够直接分析早期星系的化学成分。通过光谱分析，JWST不仅确认了GS 3073的异常氮氧比，还检测到氦IIλ4686发射线等关键信号，为初代恒星的存在提供了交叉验证。值得一提的是，同一时期另一项对星系LAP1-B的研究也从恒星形成环境角度佐证了初代恒星的理论预测。两条独立研究路径的汇合，让天文学家首次感到“接近了宇宙黎明的大门”。

恒星演化模型的革新：超重恒星的确立与挑战

这一发现迫使天文学家重新思考恒星的质量上限。Devesh Nandal团队的模型显示，1,000-10,000太阳质量的恒星可以通过特殊的混合和物质流失过程，在超新星爆发时释放特定比例的氮、氧元素。这些超重恒星的生命周期极短，仅能维持几百万年，但其爆炸后产生的化学印记却能持续数十亿年。正如2022年对极贫金属星CS 22949-037的研究所预示的，早期超新星确实能够产生异常的元素比例。

未来探索：宇宙化学考古的新篇章

GS 3073可能只是冰山一角。研究团队预测，存在氮氧比更高的早期星系等待发现。随着JWST持续观测，更多初代恒星的化学证据将浮出水面。下一步，天文学家计划通过JWST对更多高红移星系进行深度光谱分析，同时结合即将到来的三十米级地面望远镜，构建宇宙最初几亿年的恒星形成图谱。这些努力将最终解答一个基本问题：宇宙如何从氢氦海洋演化为化学丰富的宇宙？

GS 3073的氮超标现象，如同一块来自宇宙幼年的化石，告诉我们那些传说中的初代恒星不仅真实存在，而且比想象中更为巨大、更短暂、也更富创造力。正如一位天文学家所言：“我们终于从猜测转向了证据，从理论走向了观测。”