宇宙大爆炸后10亿年，一个几乎不含碳的星系

大爆炸刚刚发生之后，普通物质几乎只有氢和氦。每一种更重的元素——碳、氧、铁——都是后来在恒星内部形成的，并通过恒星的爆炸散布开来。

这对恒星如何诞生至关重要。一团坍缩的气体云在收缩时会升温，它必须散掉这些热量，才能碎裂成恒星。在今天的宇宙中，大部分冷却工作由碳离子和氧离子完成，气体云会碎裂成各种大小的恒星，其中许多比太阳还小。没有这些元素，最早的气体云只能通过氢分子冷却。它们碎裂成大块，形成的恒星大多是大质量恒星。

要切换到“正常”的恒星形成，需要多少碳和氧？非常少：大约是太阳含量的1/3,000。这一门槛被跨越得如此之快，以至于迄今观测到的每一个发光的遥远星系——包括詹姆斯·韦布空间望远镜看到的——在亮到足以被看见的时候，都已远远高于这一门槛。

在类星体的光中解读一团气体云

还有另一种寻找原始气体的方法：让它吸收位于其后方某个更亮天体的光。海德堡大学的Sarah Bosman、马克斯·普朗克天文研究所的Frederick Davies和另外23位同事，正在用GHOST巡测红移在4.5到5.5之间最亮的30个类星体。GHOST是2024年安装在智利双子座南望远镜上的一台光谱仪，他们称其为有史以来最灵敏的高分辨率光谱仪。

类星体J1941−4500的光穿过了一团致密的中性氢云——一个“阻尼莱曼α吸收体”，这类气体储库被认为位于星系恒星形成区几千秒差距的范围内。云中的每种元素都会在各自特定的波长上吸收光。经过5.8小时的曝光，团队测量到了硅、氧和碳；铁则完全没有被探测到。

迄今最原始的气体云

这团被命名为UMP-DLA-1的气体云位于红移5.14处，约在大爆炸后11亿年。它的数据如下：

• 碳：相对于氢，比太阳少11,000倍（若采用最新的太阳参考值，约少16,000倍）。
• 氧和硅：比太阳少约5,000倍。
• 这比此前已知的任何同类气体云在氧和硅上贫乏三倍以上，在碳上贫乏四倍。它的铁含量也是最低的。
• 比氦重的元素的总质量分数：百万分之3.16。

作者把碳和氧合并成一个数值，即“转变判别量”，用来预测一团气体云能否充分冷却：

D_trans = log₁₀ (10^[C/H] + 0.3 × 10^[O/H])

低于−3.5时，气体云无法坍缩成小于约一个太阳质量的恒星。UMP-DLA-1的数值为**−3.85**。它是迄今发现的第一个低于这条线的气体储库——因此，仅凭其极低的金属含量，就能确定它形成的恒星大多是大质量恒星。

早期宇宙的一个“迟到”的角落

这意味着，在几乎未受污染的气体中形成以大质量恒星为主的恒星，在第一代恒星出现很久之后——甚至在再电离时期结束之后——仍然是可能的。

这团气体云的化学组成，也是那些大质量、贫金属恒星爆炸后所遗留物质的一个样本：碳略少于氧，而氧和硅的比例与太阳相同。仅凭这一模式，无法判断那些恒星究竟是真正的第一代，还是早期的第二代。但它与在较晚时期发现的一些气体云相符，此前的研究把这些气体云追溯到仅仅1到30颗第一代恒星的超新星。作者认为，在红移低于7的残留原始气体角落中寻找第一代恒星的踪迹，可能比在红移20以外的更遥远过去中寻找更有收获。

银河系附近小型矮星系中的几颗非常古老、极度贫金属的恒星，具有同样的化学特征。作者表示，它们“完全有可能”是在类似这样的星系中诞生的小质量恒星的最后幸存者。

是运气，还是普遍现象？

仅在30个类星体中就发现这样一团气体云，令人意外。作者写道，除非这次巡测的运气格外好，否则可能还有更多这样的气体云藏在现有的光谱中，被埋没在早期宇宙浓密的氢吸收之中。未来的巨型望远镜，比如极大望远镜（ELT），对准欧几里得任务将发现的暗弱类星体，应能进行全面普查。目前，UMP-DLA-1仍是孤例，其测量基于这样一个假设：它的气体作为一个整体运动——作者以不存在饱和吸收线来支持这一假设。