模擬星際物質亂流，揭示宇宙第一批恆星誕生歷程

宇宙誕生初期的演化，一直是天文學的核心研究項目之一。大霹靂之後，宇宙歷經了從高溫電漿冷卻、聚合形成星際氣體塵埃、形成宇宙最大結構宇宙網的過程。其中瞭解第一批誕生恆星──稱為第三族恆星（Population III），如何開始觸發核融合反應、讓宇宙初放光明的部分，為宇宙演化的關鍵研究之一。

▲ 模擬宇宙誕生初期，巨大的原始氣體分子雲的分裂與塌縮過程。宇宙第一批恆星就誕生於這些氣體雲中。不同的氣體密度以顏色標示區分。在圖中顯示的演化階段，其中一個緻密分子雲團塊已開始坍縮為約8.07倍太陽質量的第三族恆星。（Source：IOPscience，下同）

第三族恆星的形成機制與過程目前仍難以利用觀測收集數據，即使韋伯太空望遠鏡（JWST）已捕捉到宇宙誕生初期星系的輝光，但解析單一顆恆星在130億年前的誕生過程，仍然超出目前所有儀器的觀測能力。所幸，藉由電腦數值模擬進行推算，仍可提供有力的間接證據。

由台灣中央研究院天文及天文物理研究所陳克戎博士所領導的研究團隊，運用最先進的GIZMO模擬程式碼與來自IllustrisTNG的大尺度宇宙模擬資料，複製宇宙誕生初期氣體分子雲內部的亂流與第一批恆星形成時的條件與機制。

▲ 模擬暗物質小暈的形成過程，以及氣體如何落入引力井。線條中的箭頭標示氣體運動方向。一開始氣體呈擴散狀，且較為平滑。小暈形成後，氣體更集中，並流向小暈。第三幅圖像顯示氣體不均勻流向小暈形成的線狀團塊。

此項研究聚焦於一個質量為1.05×10⁷太陽質量的暗物質小暈（minihalo），為探討早期恆星形成環境，團隊運用一種名為粒子分裂的演算技術，將IllustrisTNG 的模擬解析度提高約10⁵倍，首次解析宇宙形成初期的大結構形成與氣體分子雲塌縮時產生的亂流。

▲ 模擬紅位移值z=18.78處的原始暗物質小暈形態，顯示從4萬秒差距到暗物質暈內部4秒差距範圍的連續放大圖解。較小尺度，高密度的團塊結構變得越來越明顯。4pc範圍，中心區域呈現出一個細長的緻密團塊，周圍環繞著一圈環形氣體尾部，突顯坍縮中的氣體分子雲核心，內部複雜且各方向並非均勻對稱的動力學結構。

模擬結果顯示，氣體受重力牽引高速流入暗物質小暈的引力井中，在暗物質的細緻結構間聚集，形成包含薄絲狀結構的密集雲體。此時氣體流速可達音速的5倍，進而產生超音速亂流，氣體也開始旋轉聚集。接著，這些亂流將分子雲分裂成多個緻密的原始氣體塊體，亂流不但沒有造成干擾，似乎加速恆星形成，其中之一個氣體團塊開始塌縮，並即將形成一顆約8倍太陽質量的恆星。

研究指出，氣體吸積時具有高度的非對稱性與不均勻性，分子雲結構受暗物質潮汐力影響，其中的亂流不僅未抑制恆星形成，反而加速原始氣體的碎裂與局部塌縮。

團隊成員表示，這是首次完整解析宇宙第一恆星形成初期，星際物質亂流在其中所扮演的關鍵角色，顯示宇宙形成初期的環境是充滿劇烈變動與混亂的狀態，而這些狀態對恆星形成至關重要。

天文學家一般認為，第三族恆星是獨立誕生的超大質量恆星，但模擬結果顯示，原始的龐大氣體分子雲多在塌縮過程中會碎裂為較小團塊，因此誕生的恆星數量將更多、質量也較小。

▲ 原始暗物質暈的物理特性。顯示模擬結束時的氣體密度、暗物質分布、氣體溫度和氣體的流速。虛線圓圈表示距離模擬中心100秒差距的範圍。中心高密度區域的氣體正在冷卻，並開始形成恆星。

此項模擬結果有助於釐清觀測上所發現的疑點：若第三族恆星的質量非常龐大，理應在演化末期產生大量的超新星爆發，並在下一代恆星中留下金屬元素的化學痕跡。但實際觀測中，這類化學痕跡卻極為罕見。

因此研究推論，若第三族恆星質量遠低於理論預期值，發生超新星爆發的頻率也會下降，難以留下可辨識的金屬元素指標。此結果也推測，現有關於第三族恆星質量分布的理論模型可能需要修正。而早期宇宙的結構形成過程中，自然產生的超音速亂流，對大型原始氣體分子雲的結構演化與恆星誕生時的質量尺度具有決定性影響。這項研究成功連結大尺度宇宙演化與微觀恆星的誕生過程，向了解「宇宙黎明」的研究邁出關鍵一步。