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现在，每个人基本上都接受了这个概念：

宇宙并不总是像这样，而是在不断发展。其中的天体不是天生的，而是从一无所有到几个东西的过程。

那么，我们现在在宇宙中熟悉的发光天体如何：星星，星系，黑洞等来自？我们的银河系非常老，拥有十亿年历史的最古老的明星。宇宙中最早的发光天体一定是早些时候形成的，当时宇宙仍然是一个孩子。

图1：宇宙的进化历史。宇宙大约有137亿年的历史，第一代发光的天体形成了数千万千万年的历史。在此之前，宇宙经历了所谓的“黑暗时期”（照片来源：NASA）

第一代星星

如今，宇宙中的星星基本上是星系中的。尽管星系外面有一些“行走”的星星，但它们最初位于星系中，但是当星系相互碰撞时，它们就会扔掉。但是，第一代恒星并非如此，它们不是在星系中形成的。换句话说，宇宙中最早的恒星形成时，银河系尚未形成。

当形成第一代恒星时，宇宙仍然很年轻，深色物质聚集在高密度的地方，形成暗物质光环，气体也聚集在一起。目前，这些气体的元素仅是氢，氦气和少量锂。尚未形成其他元素，因此主要通过氢分子提供了相对较少的提供气体冷却的方法。氢分子的冷却效率不是很高，并且气体不能冷却至非常低的温度，并且在收缩过程中，气体不容易破裂。

最终的结果是，只能在暗物质光环中形成一颗或几颗恒星。显然，被称为银河系是不合适的。为了进行比较，您可以参考我们居住的银河系。银河系有大约1000亿星！

图2：左图，第一代恒星的艺术想象力；正确的图片，是银河系的艺术想象力。在早期的宇宙中，一个小质量的暗物质光环通常只形成一颗或几颗恒星，在当前的宇宙中，仅在我们的银河系中，有多达1000亿颗星星（照片来源：左图https://KIPAC.STANFORD.STANFORD.STANFORD.EDU/MEDIA/MEDIA/FIRSTLIMING，右图NASA/JPL-CALTECH）

尽管形成的第一代恒星的数量相对较小，但单颗恒星的质量比我们的银河系中最常见的恒星大得多，这可以达到几十次甚至数百倍的阳光，有些人认为它可以达到数千次。第一代恒星的表面温度也更高，达到100,000元（太阳的表面温度仅约6,000元），因此发射的光也更加“硬”（高能部位占很大比例）。同时，他们的气氛不包含金属光谱线。当然，他们的寿命也相对较短，只有几百万年。

以上独特的特征使第一代恒星在观察过程中易于区分。不幸的是，第一代恒星在宇宙的早期就形成了，大约在数千万年内数亿年。因此，它们离我们很远，非常黯淡。

例如，如果当宇宙拥有3亿年历史时，质量为100倍的第一代恒星，那么现在离我们约300亿光年了（是的，这个数字大于宇宙的年龄，占宇宙的速度，这是宇宙膨胀的效果）。目前，它的亮度仅比哈勃可以看到的最黑暗的恒星深约40,000倍，而当前望远镜显然无法观察到。

但是，第一代恒星爆炸产生的超新星将非常明亮，并且可以被下一代望远镜捕获。即将到来的哈勃继任者詹姆斯·韦伯望远镜（JWST）的科学目标之一是捕捉第一代恒星的超新星爆炸。

图3：数值模拟给出了第一代恒星超新星爆炸后的情况。该超新星的前身的质量是太阳质量的200倍，总共释放了约1052 ERG的能量。如果超新星爆炸爆炸，距离抛出物质的距离可能会达到从星系中心到太阳的距离的四分之一（照片来源：Greif等人的研究论文。）

还有另一种理解第一代恒星的方法，那就是在我们的银河系中寻找古老的极端金属贫穷的星星。与第一代恒星（如此短暂的庞然大物）相比，这些极低的金属恒星很小，但寿命很长，直到现在才能生存。他们本身不是第一代明星，但是大气中的金属可能来自第一代恒星。它们就像化石一样，记录早期宇宙的信息。

图4：James Webber望远镜（JWST）的检测范围可以达到约20的红移，这可能会捕获第一代星星的信息（照片来源：NASA）

在形成第一代恒星之后，将产生一些不利于形成新恒星的因素，这称为“反馈”效应。例如，它们产生的辐射可以破坏可以冷却气体，电离和热量的氢分子，而它们的超新星爆炸可能会在暗物质之外吹气。这些不利于后来恒星的持续形成，因此最初的第一代恒星形成模型几乎是“一次性交易”。

当一组第一代恒星形成时，除非它们死了足够长的时间，否则新恒星很难在同一或附近的暗物质光环中形成。我们通常认为，第一代恒星的形成是“自限制的”模式，即在有限的体积之内，第一代恒星的数量将具有上限。当然，我们不确定这个上限是什么，我们只能期望将来的观察结果能够回答。

在宇宙的发展中，第一代恒星发挥了非常重要的作用，即，其超新星爆炸提供了最早的金属元素，含有金属的气体可以更有效地冷却，从而形成下一代恒星。

第一代星系

随着宇宙的不断发展，当暗物质光环的质量更大时，一种新的，更有效的冷却机制开始起作用，并且暗物质晕中有更多的气体。因此，可以分批形成恒星。

更重要的是，由于暗物质光环更大并且重力势井更深，因此反馈效应不能完全抑制恒星的形成，而是努力通过恒星形成的过程达到平衡状态。通过这种方式，在暗物质光环中，恒星的形成不再是“一次性交易”，而是连续的过程。这是第一代星系形成的迹象。

恒星连续形成的结果是星系中的恒星都是年轻的和老年的。就像我们的银河系一样，最古老的明星已经超过十亿年，而最小的明星刚刚形成。

第一代黑洞

人们现在已经观察到许多不同类型的黑洞，例如有许多恒星黑洞的银河系，一些矮星系的中心可能具有中等质量的黑洞，以及活跃星系中心的超大质量黑洞。那么，宇宙中的第一代黑洞是什么？

一般而言，黑洞的形成需要恒星作为前提条件（这里不考虑肿胀产生的原始黑洞）。恒星用尽燃料后，其中心缺乏压力支撑，并在重力下塌陷成黑洞。这是黑洞形成最熟悉的图片。因此，第一代恒星死后形成的黑洞自然是第一代黑洞。

图5：黑洞是一个仍然神秘的天体。星系中心的一些超级质量黑洞非常安静，几乎没有辐射，而另一些则非常活跃，不断吞噬周围的事物并发出剧烈的辐射。目前，人们仍然没有弄清楚超质量黑洞的起源（照片来源：NASA/JPL-CALTECH）

这些黑洞的质量与恒星相似。他们就像种子。一旦遇到了正确的条件，即足够的气体供应，它们就会生长，并最终从一个恒星的黑洞中生长，数十次太阳到一个超大型黑洞，质量为10亿甚至数十亿倍的阳光。当然，这个过程可能很长，可以中断。详细的研究表明，恒星黑洞很难平稳地生长成超大质量的黑洞，因此人们不确定超级质量黑洞的种子是否来自第一代恒星。

除了上面提到的路径外，还有另一种形成第一代黑洞的方法。在从未经历过恒星形成并且质量相对较大的暗物质光环中，如果其氢分子被外部辐射破坏，气体将始终保持高温并且无法破裂。在这种情况下，气体的中心部分可以直接塌陷到黑洞中，或者中央部分首先形成超大恒星，然后倒入黑洞。

由第二个途径形成的黑洞统称为“直接塌陷黑洞”。当他们第一次出生时，他们的质量可以达到太阳质量的10,000至100万倍，这属于我们经常称为中质黑洞的质量。如果将这些直接崩溃的黑洞用作种子，它们将很容易生长成超大的黑洞。

尽管“直接崩溃的黑洞”解决了超大黑洞的生长问题，但其自身的地层条件非常严峻。首先，暗物质光环必须具有相对较大的质量，但不要太大。此外，内部的气体必须始终保持“纯”，也就是说，它不受外部金属污染和电离辐射的影响，但与此同时，它可以具有足够强的其他辐射来破坏氢分子。这就要求附近有一个恒星或星系，不能太近或太远。怀疑宇宙中有多少暗物质光环可以满足上述条件，因此直接崩溃的黑洞数量也很难估计。

这两种形成第一代黑洞的方法中的哪一种只能留给将来的观察结果。

图6：形成第一代黑洞的两种方法，顶是第一代恒星死亡后形成的恒星黑洞，底部是直接倒塌形成的中质黑洞（照片来源：张孟的后处理）

到目前为止，还没有观察到直接崩溃的黑洞，这可能是因为它们既稀有又黯淡。与普通星系和类星体相比，直接倒塌的黑洞的光谱有一些差异。因此，可以通过光度观察进行初步候选筛查，然后可以进行详细的光谱观察以识别。

目前，使用哈勃望远镜和钱德拉望远镜，科学家选择了一些可能直接倒塌黑洞的天体，作为更强大的望远镜来进行进一步观察的候选者。当然，也有一些候选人曾经认为直接被直接倒塌的黑洞倒塌，在进一步观察后被消除。将来，JWST望远镜有可能筛选候选人直接倒塌的黑洞，这是其科学目标之一。

此外，黑洞的直接崩溃也可能形成双黑洞。这种双重黑洞将相互旋转，并以较低的频率产生重力波。它们还可以用作新一代太空引力波实验的检测目标，例如我国的“太极拳”计划和“天秦”计划。

作者个人资料

国家天文台的研究人员Yue Bin主要从事有关电离和第一代发光物体的研究。

国家天文台的博士生张门（Zhang Meng）对直接崩溃的黑洞的形成有一个主要的研究方向。

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资料来源：中国科学院高能研究所