宇宙中年齡最大的恆星是什麼？它們有些為何會出現在銀河系中？

多亮去哪裡了

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

“只要持之以恆，知識豐富了，終能發現其奧秘。”——楊振寧

自古以來，恆星在人們心中是永恆、恆心的代表，在我們有限的生命裡，我們很難看到夜空中的星星會發生比較大的變化！但是我們現在知道，恆星也有年齡，它們也會生老病死，在宇宙的星系中有些恆星是在剛形成的新生兒，而有些恆星則是在宇宙誕生時期就已經形成的古老恆星，它們和宇宙的年齡相當。那麼我們目前所知宇宙中最古老的恆星是什麼？未來我們有沒有機會找到宇宙誕生後形成的第一批（顆）恆星？

首先我們根據赫羅圖找到最古老的星團

仰望夜空，黑暗夜幕上散佈著數萬顆肉眼可見的恆星，而且它們看起來形態、顏色各異，其中一些非常耀眼，而一些則暗淡無光。有些星星的顏色是藍色的，有些是白色的、還有黃色、橙色，甚至是紅色，不同的顏色代表了不同大小和質量的恆星。其中還一些恆星的光度在不停的閃爍和變化，而另一些卻是穩定不變的光源。這一切都表明恆星和我們人類一樣擁有著豐富的多樣性。

但是，我們看到的並不一定都是真的，視覺有時也會因為一些外在因素的干擾讓我們產生錯覺！例如夜空中瘋狂閃爍的星星（如：天狼星）就跟地球大氣的湍流有關，而與恆星本身固有的屬性無關！下次我們在看到星星眨眼睛，那其實不是星星自身的光度在變化，而是星光穿過大氣層時大氣對星光的擾動造成的。

同樣，有些恆星本身就比其他恆星更亮或者更暗。但由於離我們更遠的恆星看起來就比較暗，而離我們近的恆星看起來就相對亮一些。因此恆星的表觀亮度（看起來有多亮），並不能代表恆星的內稟亮度（實際有多亮）。但恆星的顏色是另外一回事。

一顆藍色的恆星和一顆紅色的恆星，它們的顏色並不會因為距離和大氣的原因產生變化。恆星是質子，中子和電子這些正常物質被內部發生的核聚變加熱到特別高的溫度，由於存在溫差，所以就會存在色差。當我們看到右邊的參宿四和左邊的參宿七時，我們看到它們表現出的色差就是真實的。

如果我們能知道恆星離我們有多遠（透過視差法、變星、Ⅰa型超新星確定恆星的距離），然後根據恆星的表觀亮度，我們就能算出它的內稟亮度，我們就會發現恆星的顏色和它的星等，或者說它的內在亮度之間存在一種普遍而重要的關係。

這種關係被稱為赫茨普龍格-羅素圖，它使我們能夠確定一顆恆星的生命週期目前正處於哪個階段。對於類太陽恆星來說（太陽質量的40%到400%之間的恆星）將以主序星的形式開始，直到核心的氫燃料耗盡，並停止核聚變，然後恆星會變亮，膨脹，稍微冷卻，在這個過程中恆星會變成一個更加明亮的亞巨星（次巨星）。最終，恆星將開始在核心中融合氦元素，成為一顆真正的紅巨星（Ⅲ巨星），恆星的顏色可能會在紅黃之間的不同點上振盪。當核心氦元素耗盡時，外層會被吹到星際空間，核心會收縮成更熱但明顯更暗的白矮星。

當我們觀察同時形成的恆星群（星團）時，因為最亮、最藍的主序星消耗燃料的速度最快，因此我們可以透過觀察星團中不同質量主序星的“消失”，或者說亞巨星的開始，就可以確定一個星團的年齡。

對於一個開放星團來說，它們的年齡範圍從大約100萬年到非常古老的一些例子，比如NGC 188，大約有50億年，甚至比我們的太陽還要古老！但是在很多地方我們可以看到比NGC 188更古老的星團。

球狀星團是整個宇宙中最古老的天體之一，如上圖中的梅西耶56。它們的年齡通常超過120億年，有些球狀星團超過了130億年，接近了宇宙本身的年齡，它們確實是來自宇宙不同時代的遺物。

根據恆星中重元素的丰度，我們找到了目前所知最古老的恆星

研究球狀星團對於回顧和理解宇宙最早期的階段非常有用，因為更古老的天體是在離大爆炸更近的時期形成的！隨著時間的推移，一代又一代恆星的生存和死亡，質量較大的恆星將其燃燒的燃料迴圈回星際介質中，形成下一代恆星其內部會含有更豐富的重元素。

我們的太陽是45億年前形成的恆星，包含了大約（質量）70%的氫，28%的氦，以及1- 2%的“重元素”（意思是任何比氦重的元素）。恆星中的重元素很罕見，因為重元素需要恆星來融合！所以恆星形成的時間越早，重元素就越少，這意味著如果我們測量一顆恆星的元素含量，就能得到它的年齡資訊。

梅西耶56中的恆星只有太陽重元素含量的1%，這在天文學上被稱為金屬丰度。據我們所知，銀河系中有兩顆恆星比它還要古老：一個是HE 1523–0901，只有太陽金屬含量的0。1%，而另一顆是目前所認為最古老的恆星HD 140283，只有太陽的金屬含量的0。4%。

那宇宙中最古老的恆星是哪一顆

確定一顆恆星年齡的問題在於：只有一顆恆星，我們不可能知道這顆恆星形成時，那部分宇宙的全部歷史。為什麼呢？因為宇宙在結構形成時，實在是太混亂了，我們無法追溯一顆古老恆星的起源。

你還記得宇宙最初是什麼樣子嗎？如果想不起來，但你應該見過下面這張圖片，它代表了早期宇宙完美平滑的溫度波動。

藍色區域或者說是冷點，只比平均溫度低了0。003%，代表了宇宙中密度過高的區域，或者說物質密度略高於平均水平的區域。紅色區域或者說是熱點，只比平均溫度高了0。003%，代表了宇宙中密度較低的區域，或物質密度略低於平均水平的區域。

隨著時間的推移，密度過高的區域會優先吸引越來越多的物質，密度最大的區域首先會坍塌形成恆星，然後是星團，然後是小的原星系，最後是大的星系和星系團。

萬有引力首先在最小的尺度上起作用，因為萬有引力受到光速的限制。然而，在很長一段時間裡，即使是最小的、密度過高的區域，即使是那些相對獨立形成的區域，即使是那些首先在整個宇宙中形成結構的區域，最終也會與其他密度過高的區域合併在一起。

最終我們會得到巨大的螺旋星系和橢圓星系，以及一些矮星系和小星系，但最初形成的恆星不會不受影響的獨立存在。換句話說，宇宙中的單個恆星會和其他結構在引力的作用下混合在一起。

根據我們最好的估計，宇宙中最早的恆星可能是在大爆炸之後的五千萬到一億年間形成的，或者是宇宙只有現在年齡的0。3到0。7% ！就算未來詹姆斯·韋伯太空望遠鏡升空，我們也不可能看到那麼遙遠的過去。因此無論宇宙中的10^24顆恆星中，哪一顆是最古老的恆星，幾乎可以肯定的是，我們無法找到並識別出最古老的恆星。

但我們可以確定的是，銀河系中的一些恆星可能起源於宇宙最古老的時代，當然也可以追溯到宇宙還不到3億年的時候！我們觀察銀河系中的每一顆恆星，新生的恆星與宇宙歷史上古老的恆星已經完全混合在了一起，我們無法把它們分辨出來。這就是我們目前對宇宙中最古老恆星的理解和認識。