探秘恒星誕生地：星團(tuán)一生的秘密

所有的恒星都是成群形成的，但隨后會(huì)慢慢四散開(kāi)去。夜空是星星的領(lǐng)地。在每一個(gè)方向上，明暗不同的恒星充滿天際。一些星星看上去構(gòu)成了特殊的圖案，被稱為星座。盡管這些圖案很有趣，但絕大部分只不過(guò)是人類思想在天空中的投影。在銀河系和其他星系中，大多數(shù)的恒星彼此之間并沒(méi)有真正物理上的聯(lián)系。

或者，至少現(xiàn)在已不存在這樣的聯(lián)系了。每一顆恒星其實(shí)都誕生于一個(gè)恒星集群之中，周圍簇?fù)碇蘸髸?huì)漸行漸遠(yuǎn)的、年齡相仿的兄弟姐妹。天文學(xué)家之所以知道這一點(diǎn)，是因?yàn)檫@樣的“恒星育嬰室”至今仍有一些存在，它們被稱為星團(tuán)。獵戶星云的星團(tuán)也許是其中最著名的：在哈勃望遠(yuǎn)鏡下，獵戶星云星團(tuán)的恒星在朦朧的塵埃和氣體云中閃閃發(fā)光。在戶外你能看到昴星團(tuán)：它是金牛座中一片模糊的光斑。

星團(tuán)間差異巨大，有的只是幾十個(gè)成員的脆弱聯(lián)盟，而有的則是數(shù)百萬(wàn)顆恒星的集合。一些星團(tuán)非常年輕，年齡只有幾百萬(wàn)年，一些則誕生于宇宙創(chuàng)生初期。在它們之中，我們能找到處于恒星生命周期任意階段的恒星。實(shí)際上，我們今天對(duì)星團(tuán)的觀測(cè)結(jié)果，就是現(xiàn)在學(xué)界所采納的恒星演化理論的主要證據(jù)。

恒星誕生地

恒星并非成形于真空，它們形成于巨大星云中，這些星云主要由氫分子和其他元素以及少量塵埃構(gòu)成。這些星云散布于所有的星系中，每一個(gè)都會(huì)產(chǎn)生引力——不僅作用于恒星和星云之外的其他天體，還作用于星云自身的區(qū)域。由于星云自身的引力，那些氣體和塵埃特別稠密的區(qū)域會(huì)坍縮成原恒星。通過(guò)這種方式，由幾十到數(shù)千顆恒星組成的星團(tuán)便可以在星云中孕育而生。

依據(jù)年齡以及恒星的數(shù)目和密度，星團(tuán)通?？煞譃?種類型。最年輕的恒星集群被稱為內(nèi)埋星團(tuán)，位于濃密的星云中，因而在這種星團(tuán)中，恒星發(fā)出的可見(jiàn)光完全被遮擋，我們只能看到被恒星加熱的塵埃發(fā)出的紅外輻射，無(wú)法辨別這些原始星團(tuán)的精細(xì)結(jié)構(gòu)——這是一個(gè)永恒的謎題。

相比之下，球狀星團(tuán)則是最古老、成員最多的恒星集群。球狀星團(tuán)的年齡可以追溯到宇宙初期，它們可以將多達(dá)100萬(wàn)顆的恒星極為緊密地包裹在一起。這些成熟星團(tuán)的母星云已經(jīng)消失，其中的恒星清晰可見(jiàn)。然而，即便是最近的球狀星團(tuán)也與銀河系的銀盤有著相當(dāng)遠(yuǎn)的距離，因此天文學(xué)家也難以詳盡地研究它們。恒星分布最稀疏的那種星團(tuán)叫做T星協(xié)，因?yàn)樗饕勺畛Ｒ?jiàn)的年輕恒星——金牛T星組成。（太陽(yáng)在“年幼”時(shí)也屬于金牛T星。）每一個(gè)T星協(xié)都包含有多達(dá)幾百顆這樣的恒星，但并未被母星云完全遮蔽。T星協(xié)的持續(xù)時(shí)間不會(huì)很長(zhǎng)：其中已觀測(cè)到的最老T星協(xié)的年齡約為500萬(wàn)年——從宇宙的角度來(lái)看，只是一眨眼的功夫。

科學(xué)家已經(jīng)知道，T星協(xié)中母星云的質(zhì)量要遠(yuǎn)大于其中恒星質(zhì)量的總和。這一特征可以解釋這些星團(tuán)為什么壽命較短。質(zhì)量決定引力的強(qiáng)度：質(zhì)量越大，引力就越強(qiáng)。因此，如果一個(gè)星團(tuán)中，母星云的質(zhì)量遠(yuǎn)大于其成員恒星的總質(zhì)量，那么這個(gè)母星云的引力——而非恒星施加在彼此身上的引力——必定會(huì)把該星團(tuán)維系在聚集狀態(tài)。如果這個(gè)母星云消散了，恒星就會(huì)四散開(kāi)去。天文學(xué)家認(rèn)為，是恒星風(fēng)（由恒星表面向外噴射出的有力氣流）最終吹散了T星協(xié)的母星云，釋放出了先前被束縛在一起的這些恒星。

銀河系中，另一類容易觀測(cè)的恒星集群被稱為OB星協(xié)，這個(gè)名字來(lái)自其中的兩種特別的恒星，即宇宙中最明亮且質(zhì)量最大的O型和B型恒星。通常來(lái)說(shuō)，OB星協(xié)所含恒星的數(shù)目大約是T星協(xié)的10倍，其中還有少量O型和B型恒星。獵戶星云星團(tuán)就是一個(gè)為人所熟知的例子：它位于約1 500光年之外，由4顆大質(zhì)量恒星和約2 000顆低質(zhì)量恒星組成，也包括了許多金牛T星。在銀河系中，獵戶星云星團(tuán)是距離我們較近的區(qū)域里恒星密度最高的（獵戶星云距離地球約1 500光年）。

所有年輕的OB星協(xié)都有著類似的高密度，它們都由質(zhì)量特別大的母星云形成。然而，盡管這些系統(tǒng)有著極強(qiáng)的引力，但較年老的OB星協(xié)中，恒星卻不是逐漸分散的，而是高速地沖向宇宙空間。天文學(xué)家之所以知道這一點(diǎn)，是因?yàn)閺耐粋€(gè)成熟OB星協(xié)的、間隔僅幾十年的兩張圖像就能看出，恒星間的距離變遠(yuǎn)了。

這種快速擴(kuò)散的原因之一是，這些恒星一開(kāi)始就運(yùn)動(dòng)得很快。OB星協(xié)母星云的極端引力驅(qū)使著其中的恒星高速運(yùn)動(dòng)。年輕的OB星協(xié)里充滿了高速運(yùn)動(dòng)的恒星，它們已經(jīng)為母星云消散后逃出星團(tuán)做好了準(zhǔn)備。另外，在O型和B型恒星的短暫壽命中，它們會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的紫外輻射，把OB星協(xié)的母星云籠罩其中。

在這一自我犧牲的過(guò)程中，這些恒星會(huì)發(fā)出強(qiáng)勁的紫外輻射，后者會(huì)電離周圍的氣體——效果上等同于點(diǎn)著了母星云。獵戶星云星團(tuán)中，塵埃和氣體正是在這一電離作用下發(fā)光。隨著母星云燒盡，引力就會(huì)減小。當(dāng)大質(zhì)量恒星最終死去，且母星云也消散時(shí)，該系統(tǒng)的引力就無(wú)法再束縛質(zhì)量較小的高速恒星，它們會(huì)飛一般地?fù)P長(zhǎng)而去。

因此，T星協(xié)和OB星協(xié)最終都會(huì)解體，無(wú)論是通過(guò)慢慢的磨耗還是劇烈的騷動(dòng)，結(jié)果都會(huì)這樣。然而，銀河系中，更為少見(jiàn)的第三類恒星集群卻極其穩(wěn)定。它們被稱為疏散星團(tuán)（相對(duì)于球狀星團(tuán)），擁有約1 000顆普通恒星，可以持續(xù)存在數(shù)億年甚至數(shù)十億年。而它們的星云和引力則早已消失。

星團(tuán)膨脹

雖然疏散星團(tuán)非常穩(wěn)定，但它們并非永恒不變的。疏散星團(tuán)中，恒星之間的相互引力會(huì)緩慢而持續(xù)地?cái)噭?dòng)星團(tuán)，使得恒星之間彼此迂回曲折地運(yùn)動(dòng)，就像蜂房中的蜂群。N體模擬可以描述這一引力攪動(dòng)所產(chǎn)生的恒星運(yùn)動(dòng)。這種模擬方法也十分高效，用一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的臺(tái)式計(jì)算機(jī)就能模擬類似昴星團(tuán)這樣有著1 200顆恒星的星團(tuán)的演化。

母星云散去以后，雖然昴星團(tuán)看上去處于引力的掌控之下，但幾乎一直在膨脹，恒星以持續(xù)穩(wěn)定的步伐相互遠(yuǎn)離。而這一結(jié)果和先前的分析相左——先前的分析預(yù)測(cè)，疏散星團(tuán)中的恒星會(huì)緩慢地分層，質(zhì)量較大的聚集到內(nèi)部，質(zhì)量較小的則構(gòu)成星團(tuán)的外層。這一分層結(jié)構(gòu)被稱為動(dòng)力學(xué)遲豫，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)描述，描述了被引力束縛的星團(tuán)如何隨時(shí)間演化。例如，我們已經(jīng)知道，球狀星團(tuán)就是以這種方式演化的。然而，就算我們讓N體模擬運(yùn)行至9億年后的未來(lái)，它依然會(huì)繼續(xù)膨脹。這讓我們看到了10億歲時(shí)，昴星團(tuán)是何樣子——它膨脹了，但依然完整。

這一發(fā)現(xiàn)說(shuō)明，傳統(tǒng)的分析忽略了主導(dǎo)星團(tuán)演化的平衡機(jī)制中的一些關(guān)鍵因素。是什么驅(qū)動(dòng)了疏散星團(tuán)的均勻膨脹？其中的關(guān)鍵是雙星：緊密地相互繞轉(zhuǎn)的一對(duì)恒星，它們?cè)谛菆F(tuán)中極為常見(jiàn)。現(xiàn)就職于英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)的道格拉斯·赫吉在20世紀(jì)70年代中期所進(jìn)行的模擬顯示，當(dāng)有第三顆恒星接近這樣的雙星時(shí)，這三者會(huì)上演一場(chǎng)復(fù)雜的“舞蹈”，之后，三者中質(zhì)量最小的一個(gè)通常會(huì)被高速拋射出去。被拋射出的恒星很快就會(huì)遇到星團(tuán)中其他的恒星，與它們分享自己的能量，增加它們的軌道速度，以此有效地“加熱”星團(tuán)。在我們的N體模擬中，正是來(lái)自這些雙星的能量，使得疏散星團(tuán)發(fā)生了膨脹——盡管這一膨脹很緩慢，不易被天文學(xué)家注意到。