第一代恒星一定非常壮观。它们比今天点亮天空的大多数恒星都要亮得多、热得多、质量也大得多。
M13 天文学家估计球状星团M13中20%的恒星是星族II恒星
大爆炸发生后大约一亿年，经历了一段相对黑暗的时期，在无数暗物质晕的引力作用下，第一代恒星出现了。那时还没有大型星系，除了微量的锂之外没有比氦更重的元素。而几百万年后，当它们以剧烈的超新星爆发结束生命时，释放出了更重的元素，辅助下一代恒星的形成。这些重元素，如碳、钙和铁，被天文学家统称为金属。金属有助于坍缩的氢氦气体云辐射热量，从而使得产生质量较小、寿命较长的恒星成为可能。
恒星被天文学家以金属元素含量多少分成三个星族，其中金属含量最高的是星族I。第一代恒星爆发后，第二代恒星——星族II中最小的那些，仍然存在于银河系和近邻矮星系中。它们的外层大气中保留了第一代恒星（星族III，没想到吧是3~）制造的金属的遗迹。这为天文学家提供了一个进行“恒星考古”的机会，就像地球上的考古学家通过研究古文明遗留下来的史前器物来了解古代文化一样，天文学家可以借助星族II恒星上遗存的信息，重构连望远镜都无法回溯的130亿年前的第一代恒星，看看它们如何形成、演化、如何构建后来的世界。
/ 找寻最古老的星星
星族II恒星不难寻找。通过望远镜穿透像M13这样的明亮的球状星团，就能聚集来自成千上万颗这类古老恒星的光芒，在银河系中心核球和晕中也有许多这样的恒星。但它们中只有一小部分是第一代恒星死亡后立刻形成的。
更年轻的星族I们占领着银河系的盘，因为出生在许多代前辈恒星增丰后的的星际物质中，后浪们相对富含铁和碳等元素。我们的太阳就是一颗星族I恒星——诞生于大爆炸后约90亿年，孕育它的云团富含重元素。今天，太阳质量的1.5%到2%由比氦重的元素组成。这个比例听起来可能很低，但与星族II恒星相比其实已经很高了：它们的金属含量还不到太阳的十分之一。
年纪越大的星族II恒星，金属含量越低。恒星考古的关键假设是：恒星大气中的金属丰度可以大致表征其年龄。如果可以被观测到，星族III恒星应当不含比氦重的元素。
1951年，第一批贫金属星被发现了。来自密歇根大学的约瑟夫·张伯伦(Joseph Chamberlain)和劳伦斯·阿勒(Lawrence Aller)发现HD 140283和HD 19445这两颗恒星的铁和钙丰度低得令人吃惊。HD 140283的铁含量仅约太阳的1/300。
后来的巡天观测中发现了数百颗贫金属星。二十世纪八九十年代，HK巡天发现了第一颗铁含量为太阳万分之一的恒星，而天文学家通过HES发现了另一颗恒星HE1327-2326——直到不久前它都是已知铁含量最低的恒星。它的铁含量比太阳低50万倍，是迄今发现的最古老的恒星之一。
最近的斯隆数字化巡天（Sloan Digital Sky Survey）和南天的名为SkyMapper巡天由发现了更多贫金属星。尽管进行了广泛的搜寻，目前为止我们仅找到了30颗左右的恒星铁含量低于太阳万分之一。“寻找这些恒星就像大海捞针，虽然像SkyMapper这样的自动化巡天为我们提供了一个更大的放大镜来寻找这些恒星，但这仍然是一项艰巨的工作。”
/ 贫铁恒星与第一代超新星
，当SkyMapper开始试观测时，弗雷贝尔与她的合作者发现了一颗15等红巨星SMSS 0313-6708，它没有可探测到的铁吸收线，表明这颗恒星的铁含量最多是太阳的1300万分之一。光谱观测还揭示了这颗古老晕星中碳、镁和钙的微弱吸收线。
，弗雷贝尔的团队发现了另一颗贫铁恒星，SMSS 1605-1443。这是目前能测定铁含量恒星中铁丰度最低的恒星，比太阳低160万倍。这颗恒星的钙和镁含量也比太阳低10万倍。虽然这些恒星只有微量的铁，但它们富含碳的程度令人吃惊，几乎是铁的10000倍。相对铁，氧也呈现类似的过量。
这些结果让天文学家感到惊讶，因为大质量的星族III恒星理应在壮观的超新星爆发中死亡，并喷射出大量的铁以及碳、氧、镁和钙等较轻的元素，所有这些元素都应该会进入第一批星族II恒星。
那么铁去哪里了呢？一种可能性是混合回落超新星。10到20倍太阳质量的相对较小的星族III恒星，在坍缩核心内部发生的混合将一些重元素输送到核心的外层，在爆炸中它们与碳等较轻的元素一起被喷射出去。但是，核中最重的核聚变最终产物——如铁、镍和锌——会回落到黑洞或在恒星核心形成的中子星中，这就解释了铁的相对匮乏。
另一种解释与脉冲-不稳定对超新星有关，主要涉及100到140个太阳质量的星族III恒星。来自加州大学圣克鲁兹分校的斯坦·伍斯利（Stan Woosley）对这类超新星进行了大量的模拟，“在某种程度上，不对称的核坍塌超新星是比混合回落超新星更自然的解释，也是第一次观测到这种不对称超新星发生在早期宇宙的证据。”
/ 银河系贫金属星的起源
我们迄今为止发现的大多数贫金属星都位于银盘周围的巨大银晕中。今天我们几乎可以肯定，这些130亿年前的恒星早在银河系形成之前就存在了。但它们是如何到达我们银河系晕的？最初又在哪里形成的呢？
像大多数科学家一样，天文学家也喜欢给事物分类。正是本着这种精神， 沃尔特·巴德（Walter Baade）在20世纪40年代提出了星族的概念。
恒星考古学家认为，这些问题的答案就隐藏在几十个绕转银河系的矮椭球星系的运动学中。这些不起眼的小星系只包含几千到几百万颗恒星，这些恒星镶嵌在一个质量更大的、将它们聚集在一起的暗物质晕中。
在过去的100亿到120亿年间，银河系已经吞食了许多矮星系。然而，恒星考古学家通过分析距离我们最近的矮星系中少数最明亮恒星的高分辨率光谱，结果发现，最暗的星系里有一部分金属含量极低低、最古老的星族II恒星。通过对比化学特征，银晕中的一些老年恒星正来自被吸积的矮星系。
极暗矮星系是恒星考古学家研究“星族III恒星如何产生比铁重的第一批元素”的极佳场所。大质量恒星通过核心的聚变产生了所有比铁轻的金属，但在聚变停止和恒星死亡之前，它们只产生了少量比铁稍重的元素——钴、镍、铜和锌。然而，这些元素显然大量地污染了下一代恒星，所以它们一定是和更重的元素一起以某种方式产生的。
理论研究表明比铁更重的元素中有一半都是通过所谓的r过程里的中子俘获形成的。今天，中子星并合也许是r过程元素的主要来源。但由于许多贫金属星中这些重元素的丰度相对较低，天文学家怀疑中子星并合在恒星形成的早期并不相关，主要是因为这种并合事件的发生需要很长时间。
这种观点在发生了转变，一个非常奇妙的小星系，改变了我们对核天体物理学领域的认识，关于恒星考古如何在天体物理学的最高层次发挥作用，这是一个完美的示例。
/ 微弱的希望
尽管大多数星族III恒星的模型都表示，这些恒星应该早就消失了，但并非所有的星族III恒星都是迅速形成和死亡的。一些质量比太阳小的星族III恒星有可能与一个质量大得多的伴星一起形成。如果是这样的话，燃烧缓慢的小质量星族III恒星可能仍遗留在附近，尽管它们很可能非常稀有，而且可能受到来自星际介质或伴星的重元素的污染。
现在的恒星考古技术能让我们找到它们吗？
如果我们有机会测量这些恒星，应该能够将它们识别出来。这类恒星不太可能伪装成小质量的星族II恒星，它们所经历的化学特征的被污染过程是不同的。然而，对于找到它们，我们并不乐观。
新的项目，如加拿大-法国-夏威夷望远镜的Pristine巡天和大型地面望远镜的观测结果将可能发现更多具有有趣的化学特征的贫金属星，欧洲空间局的盖亚（Gaia）计划也将有助于将这些古老恒星的化学成分与它们在银河系中的运动联系起来。
如同地球上的考古学，恒星考古学是一个具有挑战性的领域。不过，对于夜空，我们挖掘得越深，发现就会越多。
