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中央研究院天文及天文物理研究所研究成果發表，日期：2025年8月5日
宇宙在第一顆恆星亮起前究竟是什麼模樣？這個謎團長久以來讓天文學家百思不解。日前由中央研究院天文及天文物理研究所助研究員陳科榮博士帶領研究助理何孟遠與董沛承，透過超級電腦進行高解析度模擬，發現宇宙最早的恆星誕生地並非一片寧靜，而是充滿了紊流、團塊，甚至有超音速的動態結構。研究成果已發表於最新一期的《天文物理期刊通訊》（The Astrophysical Journal Letters）。
研究團隊運用一套名為GIZMO的先進模擬程式，結合 IllustrisTNG 大尺度宇宙模擬中的高解析度初始條件，觀察一個質量約為太陽千萬倍的暗物質結構，這種結構被稱為「迷你暗物質暈（dark matter minihalo）」，在宇宙大爆炸後幾億年間形成。透過一種稱為「粒子分裂」的技術，研究人員將模擬解析度大幅提升至超過十萬倍，得以追蹤氣體動力學到次秒差距等級的精細度。
研究發現令人驚訝！氣體在迷你暗物質暈中，產生了五倍音速以上的超音速紊流（supersonic turbulence）。這樣的劇烈擾動將原始氣體撕裂成數個高密度團塊，其中一個團塊預期將形成質量約為太陽八倍的恆星。
陳科榮表示：「這是我們首次看到恆星形成的最初階段中，紊流的完整演化過程。這說明劇烈而混亂的運動不僅存在，而且在第一代恆星形成中扮演了關鍵角色。」
這項發現挑戰了傳統理論中「第一代恆星應為單一巨大恆星、經由平穩塌縮誕生」的觀點。相反地，模擬結果顯示，紊流可能將原始雲氣碎裂為數個較小的團塊，也就是說，第一代恆星可能比預期的更小、更為多數。
此外，這項研究也有助於解釋為何在今日看到的最古老恆星中，找不到來自超大質量第一代恆星產生的明確化學指紋。理論上，超過100倍太陽質量的第一代恆星生命末期，會以巨大的熱核超新星（pair-instability supernovae）結束一生，並留下獨特的化學元素，但這些「指紋」至今未被明確觀測到，意味著如此巨大的恆星在早期宇宙可能極為罕見。
模擬結果也進一步地開啟了研究早期宇宙磁場、黑洞形成、以及化學元素起源的新視野。已知超音速紊流在現代星系中可放大磁場並影響恆星形成，本研究顯示，這種情況在第一代星系中也可能發生。陳科榮認為：「這次模擬是從大尺度宇宙結構形成、到微觀恆星誕生過程的重大連結，揭示紊流的關鍵角色，讓我們更了解宇宙黎明是如何開始。」
迷你暗物質暈形成過程中的氣體吸積：這組圖片從左到右呈現早期迷你暗物質暈形成的不同階段，線條代表氣體的流動方向。氣體最初分布均勻且平滑，但隨著暗物質結構逐漸成形，氣體開始集中，並在其內部出現細長、絲狀且不均勻的吸積結構。圖片來源：中研院天文所／何孟遠、董沛承
孕育第一代恆星的迷你暗物質暈：這組圖片展示了模擬結束時，迷你暗物質暈的氣體密度、暗物質分布、氣體溫度以及馬赫數（左上至右下），虛線圓圈標示出半徑 100 秒差距（pc）的核心區域。氣體傾向集中在暗物質密度最高的地方，並緊密地跟隨其結構分布。在核心區域，氣體運動極度複雜、氣體密度升高但溫度卻低於周圍環境，這是因為新形成的氫分子能有效地幫助氣體散熱冷卻所致。圖片來源：中研院天文所／何孟遠、董沛承
高密度氣體團塊的三維視圖：這張三維影像展示了位於迷你暗物質暈中心的多個高密度（黃色至紅色）氣體團塊。其中一個團塊密度已高到足以在自身重力作用下開始塌縮，這是所謂「金斯不穩定（Jeans instability）」作用的結果。該團塊正形成一顆第一代（亦稱第三星族，Pop III）恆星，其質量約為太陽的八倍。圖片來源：中研院天文所／何孟遠、董沛承
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本篇論文發表於2025年7月出版的天文物理期刊通訊（Astrophysical Journal Letters），篇名：Formation of Supersonic Turbulence in the Primordial Star-forming Cloud
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中央研究院天文及天文物理研究所助研究員陳科榮
Email: kjchen@asiaa.sinica.edu.tw Tel: (02)2366-5457
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