第一代恒星(Population III stars 或 Pop III stars)，诞生于宇宙大爆炸后的最初100万年，大约为宇宙年龄的1%。第一代恒星对于现代天文学具有至关重要的意义，其对于建立恒星初始质量方程方程（initial mass function, IMF）有着决定性的作用，进而影响整个宇宙的演化。第一代恒星的寿命极短，它们在诞生后迅速消耗殆尽。因此，我们无法直接观测第一代恒星。但通过观测它们喷发出的重子金属物质，我们能观测到潜在的Pop III star的遗迹，从而对IMF和宇宙大爆炸核合成进行限制。
图1: 原初黑洞，第一代恒星和宇宙星系演化历史示意图。（图源: ESA）
空间红外詹姆斯韦布望远镜 (James Webb Telescope, JWST)，在探索宇宙早期的星系中展现出了出色的能力，这也为我们在早期宇宙中搜索第一代恒星遗留的痕迹提供了最新的助力。在本系博士后邹思蔚领导的最新一项工作中，利用了地面的甚大望远镜 (Very Large Telescope, VLT) 和JWST共同探索了红移6-6.5的宇宙早期星系周气体和环境中发射线星系的关系（见图2）。
图2: 该工作的原理示意动画。第一代恒星产生的金属通过超新星爆炸被喷发到其周围的气体中，保留了其相对化学元素丰度特征的气体可以在明亮背景源（如类星体）的光谱中被观测到，通过空间望远镜JWST我们可以同时观测到该气体环境中的具有发射线的星系（图源：邹思蔚，NASA, ESA）
该工作创新性地利用了星系周气体中的化学元素的相对丰度来对比第一代恒星产生金属的相对丰度，结果发现，在宇宙再电离末期的星系周气体出现了明显的碳和氧元素相比铁元素的增丰，该增丰可见于一种亚类的贫金属星（金属丰度小于0.001太阳金属丰度），其被认为保留了第一代恒星的遗迹（见图3）。该工作中对于高红移星系的化学丰度模拟的结果显示，更多大质量恒星的IMF可以部分解释观测到的[C/Fe] 和[O/Fe]，如果采用第一代恒星的IMF, 则观测到的气体中的元素相对丰度可以被复现。表明我们观测到的气体可能有第一代恒星留下的遗迹。该工作为未来寻找在早期宇宙寻找第一代恒星提供了一种有效的方法。
图3: 该工作观测到的星系周气体中的元素相对丰度根据周围星系年龄的变化。紫色, 黑色和淡紫色的曲线为同红移初针对观测到相同星系质量的星系化学元素演化的模拟结果。红色为同红移处在中性气体的中采用了第一代恒星IMF的模拟结果（Kulkarni et al., 2013）。
相关成果于2024年3月发表于《天文物理期刊通讯》ApJ Letters (Zou et al. 2024 ApJL.963.L28），清华大学天文系邹思蔚博士为论文第一作者和通讯作者，天文系蔡峥教授、研究生黎子豪、林小靖、吴昀荆、李明宇共同参与。该工作得到了国家载人航天工程，自然科学基金委和清华大学的支持。合作单位包括亚利桑那大学、莱顿天文台、海德堡大学、马克斯普朗克天文所、Gemini天文台、麻省理工大学、北京大学、南京大学等。
论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad23e7