雙星星族合成及其研究進(jìn)展

李忠木

（大理學(xué)院天文與科技史研究所，云南大理 671003）

雙星星族合成及其研究進(jìn)展

李忠木

（大理學(xué)院天文與科技史研究所，云南大理 671003）

研究表明：大約一半以上的恒星是雙星，而且大部分雙星與單星的演化明顯不同，所以在星族合成中考慮雙星的演化（即雙星星族合成）對(duì)天體物理研究有重要意義。它因此被列為未來(lái)幾十年星族合成的六大挑戰(zhàn)之一。從雙星星族合成的提出、關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容和近幾年的主要研究進(jìn)展三個(gè)方面對(duì)雙星星族合成方法進(jìn)行了概述，其中重點(diǎn)闡述雙星星族與單星星族的差別以及雙星星族模型對(duì)天體物理研究的影響。

雙星；星族合成

1 演化星族合成與雙星星族合成

星系和星團(tuán)的光線主要來(lái)自其中的恒星，因此這些天體的光線包含了它們的恒星形成及演化信息。我們可以用星族合成方法對(duì)星系和星團(tuán)的恒星成分進(jìn)行分析，從而對(duì)它們的形成和演化等重要過(guò)程進(jìn)行研究。最初人們采用的星族合成方法是一種試驗(yàn)分析的技術(shù)〔1-6〕。這種方法采用恒星光譜的線性組合來(lái)解釋星系和星團(tuán)的整體光譜，其弱點(diǎn)是這種方法包含非常多的不定參數(shù)，這使得人們經(jīng)常難以得到確定的結(jié)果。1978年，科學(xué)家提出了一種新的星族合成方法——演化星族合成〔7-20〕。這種新方法僅含有很少的幾個(gè)不定參數(shù)，如：初始質(zhì)量函數(shù)、恒星形成率、金屬豐度等。它通過(guò)不同年齡時(shí)恒星在赫羅圖上的分布來(lái)確定星族的整體光譜。到現(xiàn)在演化星族合成方法已經(jīng)成了人們用于研究星系光譜的標(biāo)準(zhǔn)工具〔21〕。

在演化星族合成方法提出之后，人們就一直采用單星演化理論來(lái)確定不同時(shí)間恒星在赫羅圖上的分布。這在操作上非常方便，因?yàn)閱涡堑难莼容^簡(jiǎn)單。通常不同恒星的演化可以用一個(gè)恒星演化軌跡庫(kù)來(lái)表示，人們?cè)谛亲搴铣裳芯恐兄灰獙?duì)這樣的軌跡庫(kù)進(jìn)行插值即可。但實(shí)際上這樣的操作并不完全與觀測(cè)到的情況相符合。觀測(cè)研究發(fā)現(xiàn)其實(shí)大部分恒星是雙星或處在多星系統(tǒng)中，因此它們的演化不是純粹的單星演化，這必然會(huì)影響到星族中恒星在赫羅圖上的分布。不過(guò)天文學(xué)家們一直覺(jué)得這些雙星或多星系統(tǒng)的演化不會(huì)對(duì)基于單星演化的星族合成（單星星族合成）結(jié)果造成大的影響〔22〕。此外，雙星演化的計(jì)算比單星演化復(fù)雜得多，這無(wú)形中增大了研究的難度，因此大部分人仍然堅(jiān)持使用單星星族合成方法，直至今日。

盡管如此，也有一些學(xué)者對(duì)由雙星構(gòu)成的星族（雙星星族）進(jìn)行研究，這就是雙星星族合成。這些研究大部分都采用了Hurley等人〔23〕2002年建立的快速恒星演化程序進(jìn)行恒星演化參數(shù)的計(jì)算。因?yàn)檫@個(gè)程序是基于一些通過(guò)擬合雙星的演化軌跡而得到的擬合公式來(lái)計(jì)算雙星的演化，所以其計(jì)算速度非?？欤軌驖M足星族合成這樣的大樣本恒星系統(tǒng)研究的需求。另外，這個(gè)程序考慮了大部分雙星相互作用，比較適合用于研究雙星作用造成的影響。

2 雙星星族合成的研究?jī)?nèi)容

因?yàn)樾亲搴铣墒窍Ｍㄟ^(guò)天體的整體光線來(lái)研究那些恒星不可分辨的天體的恒星成分，所以雙星星族合成也不例外。根據(jù)這個(gè)目的，雙星星族合成需要合成天體的各種可觀測(cè)特征，主要包括：赫羅圖（或顏色-星等圖）、光譜、顏色、譜指數(shù)等。因?yàn)檫@些特征是研究中用于分析天體中恒星成分的主要依據(jù)，因此仔細(xì)研究雙星星族的上述特征對(duì)星系和星團(tuán)的星族研究非常重要。

雙星星族合成的主要任務(wù)是詳細(xì)考察雙星演化對(duì)天體整體特征量的影響，以及探索如何使用這種方法對(duì)星系和星團(tuán)的物理性質(zhì)、形成和演化歷史等進(jìn)行研究。

3 雙星星族合成的主要進(jìn)展

國(guó)際上有幾個(gè)小組開展了雙星星族合成方面的研究，其中韓占文小組、李忠木小組和Bruzual小組〔24〕等人的工作屬于演化星族合成，Hurley小組〔25〕和Kroupa小組〔26〕等人的工作則屬于動(dòng)力學(xué)合成。在演化星族合成方面，韓占文小組和李忠木小組的工作比較全面，他們最先建立了完善的雙星星族合成模型并廣泛地使用該模型開展研究。Bruzual小組只做了一個(gè)測(cè)試性的工作〔24〕，他們的結(jié)果與韓占文小組和李忠木小組在此之前的工作相一致。因?yàn)楸疚牡闹饕獙?duì)象是演化星族合成，所以這里僅就李忠木小組和韓占文小組的結(jié)果進(jìn)行介紹。

李忠木小組的一個(gè)主要進(jìn)展是建立了完整的雙星星族合成模型。該模型同時(shí)包含了雙星簡(jiǎn)單星族和雙星復(fù)合星族合成模型。它給出了7種金屬豐度、151種不同年齡（0-15 Gyr）的星族的高（0.3埃）、低（約20埃）分辨率光譜，以及譜指數(shù)、星等和顏色。其中高分辨率光譜的范圍僅為可見光波段，而低分辨率的光譜則覆蓋了紫外到近紅外的整個(gè)波段〔27〕。因此，這個(gè)模型可以方便地用于星團(tuán)和星系的顏色-星等圖分析、光譜擬合、譜指數(shù)擬合等研究。為了方便和單星星族模型進(jìn)行比較，李忠木小組的雙星星族模型還采用完全相同的方法給出了與雙星星族模型相對(duì)應(yīng)的單星星族模型。大家可以通過(guò)相關(guān)的文章〔27-29〕來(lái)了解更多的信息。

基于上述的雙星星族合成模型，我們仔細(xì)研究了雙星作用對(duì)簡(jiǎn)單星族（一次星暴形成的星族）的顏色-星等圖、能譜分布、譜指數(shù)和顏色等造成的影響，以及對(duì)簡(jiǎn)單星族年齡和金屬豐度確定造成的影響〔30〕。結(jié)果表明，雙星星族中會(huì)產(chǎn)生很多單星星族中難以出現(xiàn)的特殊恒星，如藍(lán)離散星、黃離散星、紅離散星、熱亞矮星等。通常情況下，這些天體會(huì)使得相同金屬豐度和年齡的雙星星族會(huì)比單星星族藍(lán)。另外，雙星作用會(huì)使星族的光譜流量發(fā)生改變，通常對(duì)固定的金屬豐度和較大的年齡，雙星星族比單星星族在紫外波段上看起來(lái)亮很多（即紫外能流反轉(zhuǎn)，見圖1）。研究還表明，當(dāng)使用雙星星族和單星星族進(jìn)行研究時(shí)，二者會(huì)得到不同的簡(jiǎn)單星族年齡和金屬豐度。其中年齡的最大差異可達(dá)到8 Gyr。

圖1 雙星簡(jiǎn)單星族的紫外反轉(zhuǎn)能譜

此外，由于很多研究都表明即使是星族成分比較簡(jiǎn)單的早型星系和球狀星團(tuán)，它們中的恒星也很可能不是一次形成的。因此，大部分星系和星團(tuán)中的星族不是簡(jiǎn)單星族，而是復(fù)合星族。根據(jù)這種推論，2012年我們研究了雙星星族對(duì)復(fù)合星族參數(shù)確定的影響〔31〕。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，理論星族是否包含雙星演化對(duì)復(fù)合星族中年輕成分的年齡測(cè)量造成了非常顯著的影響。可以說(shuō)，用雙星星族和單星星族兩類模型將會(huì)得到幾乎完全不同的年輕恒星年齡。因此，星族模型中雙星作用的加入有可能完全改變此前人們關(guān)于星系恒星形成歷史的研究。另外，雙星星族模型的使用可以改變此前關(guān)于星系中塵埃消光的研究結(jié)果：雙星星族研究不再像單星星族研究那樣需要負(fù)的消光值而且通常會(huì)得到更大的消光值。這些結(jié)果很可能會(huì)對(duì)將來(lái)的星系研究造成顯著的影響。

當(dāng)我們將雙星星族模型用于具體星系和星團(tuán)的研究時(shí)，我們同樣取得了意想不到的成功。具體地，我們關(guān)于80個(gè)橢圓星系的譜指數(shù)研究給出了對(duì)星系等級(jí)成團(tuán)并合形成模型的支持〔32〕。這與其它很多觀測(cè)和動(dòng)力學(xué)的研究相一致〔33〕。此外，同時(shí)考慮了雙星作用和恒星轉(zhuǎn)動(dòng)的簡(jiǎn)單星族模型成功地解釋了大麥哲倫云中中等年齡星團(tuán)的奇異顏色-星等圖〔34〕。星團(tuán)中的藍(lán)離散星、紅離散星、主序和拐點(diǎn)展寬、擴(kuò)展的紅團(tuán)簇等均被完美地重現(xiàn)。見圖2。因?yàn)殡p星和恒星轉(zhuǎn)動(dòng)普遍存在于恒星之中，所以我們的模型是目前最自然的模型。

圖2 金屬豐度為0.008、年齡為1.8 Gyr的雙星簡(jiǎn)單星族的顏色-星等圖

除了上述結(jié)果外，韓占文小組的研究顯示雙星星族模型能夠?qū)π窍禍y(cè)光紅移的測(cè)定產(chǎn)生明顯的影響〔35〕。他們還嘗試著研究了雙星作用對(duì)恒星形成率研究的影響，但結(jié)果表明雙星作用似乎并不重要〔36〕。

4 討論

雙星是恒星存在的基本形式之一，其演化與單星有明顯不同。雙星演化對(duì)白矮星、脈沖星、Ia型超新星、引力波、伽馬射線暴、演化星族合成等研究均有重要的意義。雙星在星族合成研究中的作用被列入了未來(lái)幾十年星族合成領(lǐng)域的六大挑戰(zhàn)之一。目前有越來(lái)越多的學(xué)者正投入這方面的工作之中，相信雙星星族合成會(huì)在天文和天體物理研究中獨(dú)放異彩。雖然已經(jīng)取得了明顯的進(jìn)展，但是雙星星族合成還有很多地方有待提高。首先，大家?guī)缀醵疾捎肏urley等人的快速恒星演化程序進(jìn)行雙星演化計(jì)算。因?yàn)槌绦虮旧砗泻艽蟛淮_定性，所以基于這個(gè)程序得到的結(jié)果也難以精確。第二，我們的金屬豐度（Z）上限值僅為0.03，這對(duì)很多天體顯然太低（單星星族研究中一般取到0.05以上）。第三，不管是雙星演化還是單星演化，都有很多演化階段（圖TP-AGB）的處理并不確定。最后，星族合成研究中的很多物理參量對(duì)其觀測(cè)量的影響是簡(jiǎn)并的，這使得我們的很多結(jié)果都不確定。因此，雙星星族合成還有很長(zhǎng)的路要走，其發(fā)展不僅要依賴于更多、更全面的理論模擬，也需要更完善的觀測(cè)限制。

〔1〕Spinrad H，Taylor B J.The Stellar Content of the Nuclei of Nearby Galaxies.I.M31，M32，and M81〔J〕.Astrophysical Journal Supplement，1971，22：445-484.

〔2〕Faber S M.Variations in Spectral-Energy Distributions and Absorption-Line Strengths among Elliptical Galaxies〔J〕. Astrophysical Journal，1973，179：731-754.

〔3〕O'Connell R W.Galaxy spectral synthesis.I- Stellar populations in the nuclei of giant ellipticals〔J〕.Astrophysical Journal，1976，206：370-390.

〔4〕Turnrose B E.The stellar content of the nuclear regions of SC galaxies〔J〕.Astrophysical Journal，1976，210：33-37.

〔5〕Pritchet C.Stellar population synthesis of galactic nuclei〔J〕.Astrophysical Journal Supplement，1977，35：397-418.

〔6〕Pickles A J.Differential population synthesis of early-type galaxies.III-Synthesis results〔J〕.Astrophysical Journal，1985，296：340-369.

〔7〕Tinsley B M.Evolutionary synthesis of the stellar population in elliptical galaxies.II-Late M giants and composition effects〔J〕.Astrophysical Journal，1978，222：14-22.

〔8〕Bruzual A G.Spectral evolution of galaxies.I-Early-type systems〔J〕.Astrophysical Journal，1983，273：105-127.

〔9〕Arimoto N，Yoshii Y.Chemical and photometric properties of a galactic wind model for elliptical galaxies〔J〕.Astronomy and Astrophysics，1987，173（1）：23-38.

〔10〕Guiderdoni B，Rocca-Volmerange B.A model of spectrophotometric evolution for high-redshift galaxies〔J〕.Astronomy and Astrophysics，1987，186（1-2）：1-21.

〔11〕Buzzoni A.Evolutionary population synthesis in stellar systems.I-A global approach〔J〕.Astrophysical JournalSupplement，1989，71：817-869.

〔12〕Bruzual A G，Charlot S.Spectral evolution of stellar populations using isochrone synthesis〔J〕.Astrophysical Journal，1993，405：538-553.

〔13〕Bressan A，Chiosi C，F(xiàn)agotto F.Spectrophotometric evolution of elliptical galaxies.1：Ultraviolet excess and colormagnitude-redshift relations〔J〕.Astrophysical Journal Supplement，1994，94：63-115.

〔14〕Fritze V，Alvensleben U，Gerhard O E.Star formation in merging galaxies〔J〕.Astronomy and Astrophysics，1994，285：751-774.

〔15〕Worthey G，F(xiàn)aber S M，Gonzalez J Jesus，et al.Old stellar populations.5：Absorption feature indices for the complete LICK/IDS sample of stars〔J〕.Astrophysical Journal Supplement，1994，94（2）：687-722.

〔16〕Leitherer C，Heckman T M.Synthetic properties of starburst galaxies〔J〕.Astrophysical Journal Supplement，1995，96（1）：9-38.

〔17〕Fioc M，Rocca-Volmerange B.PEGASE：a UV to NIR spectral evolution model of galaxies.Application to the calibration of bright galaxy counts〔J〕.Astronomy and Astrophysics，1997，326：950-962.

〔18〕Maraston，C.Evolutionary synthesis of stellar populations：a modulartool〔J〕.MonthlyNoticesofthe Royal Astronomical Society，1998，300：872-892.

〔19〕Vazdekis A.Evolutionary Stellar Population Synthesis at 2 ? Spectral Resolution〔J〕.Astrophysical Journal，1998，513（1）：224-241.

〔20〕Bruzual G，Charlot S.Stellar population synthesis at the resolution of 2003〔J〕.Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2003，344：1000-1028.

〔21〕Walcher J，Groves B，Budavári T，et al.Fitting the integrated spectral energy distributions of galaxies〔J〕.Astrophysics and Space Science，2011，331（1）：1-51.

〔22〕Brinchmann J.Challenges in Stellar Population Studies〔J〕. IAUS，2010，262：3.

〔23〕Hurley J R，Tout C A，Pols O R.Evolution of binary stars and the effect of tides on binary populations〔J〕.Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2002，329（4）：897-928.

〔24〕Hernández F C，Bruzual G.A Stellar Population Synthesis Model that Includes Binary Interaction〔J〕.Revista Mexicana de Astronomia y Astrofisica Conference Series，2011，40：277.

〔25〕Hurley J R，Shara M.A direct N-body model of corecollapse and core oscillations〔J〕.Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2012，425（4）：2872-2879.

〔26〕Marks M，Kroupa P.Inverse dynamical population synthesis. Constraining the initial conditions of young stellar clusters by studying their binary populations〔J〕.Astronomy and Astrophysics，2012（543）：A8.

〔27〕Li Z M，Han Z W.An isochrone data base and a rapid model for stellar population synthesis〔J〕.Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2008，387（1）：105-114.

〔28〕Li Z M，Han Z W.Fitting formulae for the effects of binary interactions on lick indices and colors ofstellar populations〔J〕.Research in Astronomy and Astrophysics，2009，9（2）：191-204.

〔29〕Li Z M，Zhang L Y，Liu J Z.Integrated spectral energy distributions of binary star composite stellar populations〔J〕.Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2012，424：874-883.

〔30〕Li Z，Han Z W.How Binary Interactions Affect Spectral Stellar Population Synthesis〔J〕.Astrophysical Journal，2008，685（1）：225-234.

〔31〕Li Z M，et al.Importance of binary evolution for UV-opticalspectralfittingofearly-type galaxies〔J〕. Astrophysical Journal，submitted.

〔32〕Li Z M，Zhang F H，Zhan W H.A Study of Binary Stellar Population Synthesis of Elliptical Galaxies〔J〕.Chinese Journal of Astronomy and Astrophysics，2006，6（6）：669-679.

〔33〕Thomas D，Maraston C，Bender R，et al.The Epochs of Early-Type Galaxy Formation as a Function of Environment〔J〕.Astrophysical Journal，2005，621（2）：673.

〔34〕Li Z M，Mao C Y，Li R H，et al.A binary study of colormagnitude diagrams of 12 globular clusters〔J〕.Research in Astronomy and Astrophysics，2010，10（2）：135-141.

〔35〕Zhang F H，Han Z W，Li L F，et al.The effects of ultraviolet photometry and binary interactions on photometric redshift and galaxy morphology〔J〕.Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2010，408（2）：1283-1306.

〔36〕Zhang F H，Li L F，Zhang Y，et al.Binary interactions on the calibrations of star formation rate〔J〕.Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2012，421（1）：743-759.

Binary Star Stellar Population Synthesis

LI Zhongmu
（Institute for Astronomy and History of Science and Technology，Dali University，Dali，Yunnan 671003，China）

Observations showed that more than half stars are binaries,and the evolution of binaries is obviously different from single stars. Therefore,it is important to include binary evolution in stellar population synthesis.The importance of binaries for stellar population studies has been listed as one of six main challenges of stellar population synthesis in the next decades.This paper introduces the birth,main research content and progress of binary star stellar population synthesis.

binary star；stellar population synthesis

P153

A

1672-2345（2013）04-0029-04

云南省教育廳科研基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（2010Z004）

2012-12-27

2013-03-01

李忠木，教授，主要從事星族合成及星系研究.

（責(zé)任編輯 袁 霞）

10.3969/j.issn.1672-2345.2013.04.008