通過使用機器學習和最先進的超新星核合成技術，一個研究小組發現宇宙中大多數觀察到的第二代恆星都是由多個超新星富集而成的，這項成果刊登在《天體物理學雜誌》上。

核天體物理學研究表明，宇宙中包括碳和比碳更重的元素是在恆星中產生的。但是第一批恆星，即大爆炸後不久誕生的恆星並不包含這種重元素，天文學家稱之為”金屬”。下一代的恆星只含有第一批恆星產生的少量重元素。為了了解處於起步階段的宇宙，需要研究人員研究這些缺乏金屬的恆星。

幸運的是，這些第二代貧金屬恆星在我們的銀河系中被觀測到，並由卡弗里宇宙物理與數學研究所（Kavli IPMU）的附屬成員團隊進行研究，以接近宇宙中第一批恆星的物理特性。

極度貧金屬（EMP）恆星的碳與鐵豐度。色條顯示了我們的機器學習算法得出的單一富集的概率。虛線以上的恆星（在[C/Fe]=0.7時）被稱為碳增強型金屬貧乏（CEMP）恆星，其中大多數是單富集的。資料來源：Hartwig等人。

該團隊由Kavli IPMU客座副科學家和東京大學智能物理研究所助理教授Tilman Hartwig領導，包括客座副科學家和日本國家天文台助理教授Miho Ishigaki，客座高級科學家和赫特福德大學教授Chiaki Kobayashi、 客座高級科學家、日本國家天文台教授富永野三，以及客座高級科學家、東京大學名譽教授野本健一，利用人工智能分析了迄今為止觀察到的450多顆極度貧金屬的恆星的元素豐度。基於新開發的在理論超新星核合成模型上訓練的監督機器學習算法，他們發現68%被觀測到的極度金屬貧乏的恆星具有與之前多個超新星富集一致的化學指紋。

該小組的結果給出了第一個基於觀測的關於第一批恆星的多重性的定量約束。

（左起）客座高級科學家野本健一，客座副科學家石垣美穗，Kavli IPMU客座副科學家蒂爾曼-哈特維格，客座高級科學家小林千秋，以及客座高級科學家富永之。資料來源：Kavli IPMU, Nozomu Tominaga

第一作者Hartwig說：”到目前為止，第一顆恆星的多重性只是從數值模擬中預測出來的，直到現在還沒有辦法從觀測上檢驗這個理論預測，研究結果表明，大多數第一顆恆星是在小星團中形成的，因此它們的多個超新星可以為早期星際介質的金屬富集作出貢獻。”

“我們的新算法提供了一個極好的工具來解釋我們在未來十年內從世界各地正在進行的和未來的天文調查中獲得的大數據，”同樣是勒弗胡姆研究學者的小林說。

“目前，現有的老恆星數據只是太陽附近地區的冰山一角。”石垣說：”Prime Focus光譜儀是由Kavli IPMU領導的國際合作開發的斯巴魯望遠鏡上的尖端多物體光譜儀，是發現遠在太陽附近的銀河系外部區域的古星的最佳儀器。”

這項研究中發明的新算法為充分利用主焦點光譜儀發現的貧金屬恆星中的多樣化化學指紋打開了大門。

“第一批恆星的理論告訴我們，第一批恆星的質量應該比太陽更大。自然的預期是，第一顆恆星誕生在一個含有比太陽質量大一百萬倍的氣體雲中。然而，我們的新發現強烈地表明，第一批恆星並不是單獨誕生的，而是作為一個星團或雙星或多星系統的一部分形成的。這也意味著，我們可以期待大爆炸後不久來自第一批雙星的引力波，這可能在未來的太空或月球任務中被探測到。”

哈特維格已經將這項研究中開發的代碼公開在https://gitlab.com/thartwig/emu-c。