犹他大学主导的一项新观测正在利用哈勃太空望远镜研究这些差异。该项目被称为极贫金属O型星宝库（TEMPOS），依靠哈勃宇宙起源光谱仪（COS）的紫外线（UV）测量数据，来观测附近星系中类似于早期宇宙环境的大质量恒星。
异常庞大的TEMPOS数据集使研究人员能够改进大质量恒星模型，并更好地理解这些强大的天体是如何影响年轻星系的。随着2021年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜不断揭示宇宙早期历史中出乎意料的复杂星系，这项工作正变得越来越重要。
“韦伯提出了一大批关于这些早期星系演化的新问题——它们很奇怪，”犹他大学物理与天文学系助理教授、该研究的主要作者格蕾丝·特尔福德说。“这就是TEMPOS计划背后的科学动机：帮助理解这些早期星系中正在发生什么。”
该观测于2026年9月21日发表在《天体物理杂志增刊》（The Astrophysical Journal Supplement Series）上。
大质量恒星塑造整个星系
质量是太阳10倍以上的恒星并不常见，但它们的影响可以延伸到整个星系。它们发出大量辐射，通过星风不断流失物质，并最终以超新星爆发结束生命。
“它们燃烧得非常热、非常亮且非常快，并以超新星爆发结束其短暂的生命，将大量能量和物质沉积到周围的气体中，”特尔福德说。“它们通过加热并从根本上调节随后可用于冷却并形成新恒星的气体，来控制其宿主星系的演化。”
早期星系与当今星系的一个主要区别在于它们的化学成分。天文学家使用金属丰度来描述恒星或星系中比氢和氦更重的元素的含量。
最早的星系产生的这些重元素远少于当今银河系等星系所含的量。因此，在那个时代诞生的大质量恒星，其物理性质可能与天文学家在较近处能研究到的大质量恒星大不相同。
“低金属丰度的大质量恒星对于建立准确的早期星系模型尤为重要，”特尔福德说。“我们不能仅仅通过研究银河系中富金属大质量恒星的行为来解释这些观测结果。”
附近的矮星系提供了一扇了解过去的窗口
天文学家无法足够详细地观测遥远早期宇宙中的单个大质量恒星，以直接测量这些性质。因此，TEMPOS转向了相对较近的矮星系，这些星系的化学成分提供了有用的对比。
该观测研究了分布在六个本地矮星系中的29颗大质量恒星。样本中的每个星系的金属丰度都低于太阳的五分之一，这使得这些恒星成为研究宇宙历史早期常见条件的有用替代品。
紫外线提供了关于这些恒星的特别有价值的信息。它们的紫外光谱包含了其大气中化学元素的指纹，同时也揭示了将物质从其表面带走的星风的细节。
获得这些测量数据很困难，因为银河系之外的单个大质量恒星极其微弱。研究它们可能需要世界上一些最强大望远镜的数小时观测时间。
“这是一个包含29颗恒星的样本，听起来不多，但当每一颗都需要长达35小时的哈勃观测时间时，成本就非常高了，”特尔福德说。
TEMPOS在先前收集的测量数据基础上增加了对12颗恒星的新观测，从而产生了一个更大、更一致的数据集以供比较。
星风在低金属丰度下急剧减慢
大质量恒星通过强大的星风逐渐流失物质。这些星风的强度和速度与恒星的金属丰度密切相关。
金属离子有助于将恒星辐射的能量转移给周围物质，从而将物质向外推。因此，科学家预计含有较少重元素的恒星会产生较弱的星风，并在其生命周期内流失较少的质量。
TEMPOS证实了天文学家预期的总体趋势。随着金属丰度下降，星风的最大速度也趋于降低。
然而，在样本中最极端的一端，出现了一些出乎意料的情况。
对于金属丰度低于太阳约10%的恒星，星风速度的下降幅度比在较高金属丰度下测得的趋势所预测的要急剧得多。
“存在一种平滑的趋势，然后突然之间，对于最低金属丰度的恒星，星风速度真的下降了，”特尔福德说。“能在数据中发现这个有趣的意外情况，我非常兴奋。”
这种急剧下降可能对大质量恒星的生死产生重大影响。如果极贫金属恒星通过星风流失的物质较少，它们就能在一生中保留更多的原始质量。
这种差异可能会改变它们后期的演化、最终的死亡以及它们返回周围环境的能量和物质的数量。由于大质量恒星有助于控制可用于未来恒星形成的气体，即使发生在单个恒星内部的变化最终也会影响整个星系的发展。
铁可能是关键缺失的一环
在大质量恒星中发现的重元素中，铁可能尤为重要。它有助于驱动星风，影响大质量恒星的演化方式，并在导致其最终超新星爆发的过程中发挥重要作用。
然而，在极贫金属环境中测量铁是出了名的具有挑战性。
天文学家经常通过测量星系气体中的氧来估计金属丰度。氧离子在被大质量恒星照亮时会产生明亮的发射线，这使得它们相对容易探测。
研究人员通常假设铁丰度与氧丰度密切相关。然而，这两种元素的增加或减少方式不一定完全相同。
TEMPOS使研究人员能够通过检查紫外光谱中极其微弱的铁吸收特征来更直接地研究这种关系。简而言之，该团队测量了铁吸收的紫外光量与原本应该存在的光量之比。
他们发现，在富氧（高金属丰度）星系中，大质量恒星通常比贫氧（低金属丰度）星系中的恒星表现出强得多的铁吸收。
同时，TEMPOS测得的铁吸收范围表明，这些贫金属恒星含有的铁含量可能存在令人惊讶的差异。
“这是我们第一次拥有足够的统计能力，在六个具有不同化学成分的星系的大样本恒星中观察到这种趋势，”特尔福德说。“TEMPOS为我们奠定了基础，以确定在极低金属丰度状态下，大质量恒星物理学如何随着铁丰度的变化而变化。”
更大的样本揭示隐藏趋势
在TEMPOS之前，特尔福德已经对三颗恒星进行了详细建模，这些恒星现在被纳入了这项更大规模的观测中。
那个较小的数据集不足以揭示现在通过数十颗恒星才变得可见的更广泛趋势。
“只有三颗，你看不到这些趋势，”她说。“我们一直受困于这种小样本统计状态，所以这是我们为建立一个足够大的样本以做些更有用的事情所做的最大努力。”
研究人员现在计划通过将哈勃的紫外测量数据与在夏威夷凯克天文台收集的可见光观测数据相结合，来进一步推进分析。
使用这两个数据集将使科学家能够建立更详细的恒星模型，并计算其特性，包括化学丰度和星风剥离其质量的速率。
这些测量最终可能会改进用于解释韦伯观测到的不寻常早期星系的模型。
TEMPOS科学级紫外光谱也将通过空间望远镜米库尔斯基档案库向公众开放，让其他研究人员有机会研究有关大质量恒星及其对星系演化影响的更多问题。
该观测的合作者包括：加州州立大学弗雷斯诺分校和唐宁天文馆的克里斯蒂安娜·埃尔巴；空间望远镜科学研究所（STScI）和罗格斯大学的克里斯汀·麦奎恩；STScI的卡勒姆·霍克罗夫特、朱莉娅·罗曼-杜瓦尔和克劳斯·莱特雷尔；基尔克里斯蒂安-阿尔布雷希特大学和天文计算研究所（ARI）的安德烈亚斯·桑德；德克萨斯大学奥斯汀分校和宇宙前沿中心的约翰·奇泽姆和丹妮尔·伯格；ARI的瓦尔莎·拉马钱德兰；伦斯勒理工学院的郑勇；普林斯顿大学的艾比·明茨；以及圣母大学的埃文·柯比。
该工作基于NASA/ESA哈勃太空望远镜的观测，并得到了NASA的支持（资助编号：GO-16767、GO-16920和GO-17491）。