探秘星團新發(fā)現(xiàn)

□ 文 何銳思（Richard de Grijs）/翻譯 程思淼

探秘星團新發(fā)現(xiàn)

□ 文 何銳思（Richard de Grijs）/翻譯 程思淼

由馬克斯-普朗克學(xué)會（MPG）和歐洲南方天文臺（ESO）共用的智利拉西拉天文臺MPG/ESO 2.2米望遠鏡拍攝的明亮星團NGC 3532的絢麗圖像。其中的一些恒星仍然在發(fā)出熾熱的淺藍色光芒，但質(zhì)量更大的恒星則已經(jīng)進入紅巨星階段，發(fā)出橙黃色的光。圖片來源：ESO/G. Beccari。

何銳思（Richard de Grijs）北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所（KIAA）教授，國際天文學(xué)聯(lián)合會天文發(fā)展辦公室東亞分站負責(zé)人。

新理論：中年星團中的恒星年齡都相近！

仔細觀察夜空我們就會發(fā)現(xiàn)，星星很少單獨出現(xiàn)，而是常常聚集成星團。有的星團里恒星可多達上百萬顆。這種在星團王國中年齡最大、所含星數(shù)最多的，就是所謂的“球狀星團”。人們曾一度以為，自己對它們已經(jīng)了如指掌——球狀星團不過是簡單地聚在一起的一群恒星罷了，而且這些恒星并不是同時誕生，是在超過3億年的時期里逐步形成的。不過，2014年12月中旬《自然》雜志上發(fā)表的一篇文章指出，在這些大質(zhì)量星團中，恒星形成的情況并非如此。利用哈勃太空望遠鏡的數(shù)據(jù)，我在北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所和中國科學(xué)院國家天文臺的研究團隊發(fā)現(xiàn)，至少在大質(zhì)量中年星團中，所有恒星都是同時誕生的。

恒星的生命始于一團由塵埃和氣體組成的云。在引力的作用下，這團云氣慢慢地凝聚成致密的球體。如果質(zhì)量夠大，它的核心就可以達到足夠高的溫度，點燃將氫聚合成氦的核反應(yīng)。這一過程釋放巨大的能量，使恒星發(fā)出明亮的光。幾十億年后，當核心區(qū)的氫儲備告罄，恒星就開始燃燒核心周圍殼層的氫。這會使恒星（表面）的溫度發(fā)生變化。

以前的觀測顯示，在一個老齡的大質(zhì)量星團中，那些處于核心氫燃燒末期的恒星，相互之間溫度差異很大。由此計算得出，這些恒星的年齡差異可以達到、甚至超過3億年。

“這個結(jié)果令人困惑，”我在北大的博士生、在《自然》上發(fā)表那篇文章的主要作者李程遠說?！耙驗槟贻p的星團在誕生后的1000萬年里，會迅速失去可以形成恒星的氣體。”因此，同一個星團里的恒星，其年齡的差異應(yīng)該很難超過1000萬年。

圖1 NGC 1651是位于大麥哲倫星系中的一個中年星團。盡管我們曾以為其中的恒星年齡相差很大，但最新的研究表明，它們的年齡幾乎相同。圖片來源：NASA/ESA Hubble Space Telescope/Fabian RRRR。

圖2 星團NGC 1651的赫羅圖，每個點代表一顆恒星的觀測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)點的彌散被認為是星團中恒星年齡不一致的證據(jù)。根據(jù)年齡相差4.5億年的模型計算的結(jié)果如圖中兩條線所示，藍色表示較年輕的恒星應(yīng)處的位置，紅色表示較年老的恒星應(yīng)處的位置。這一結(jié)果雖然能較好地解釋星團NGC 1651中那些剛離開核心氫燃燒階段的恒星的彌散分布，卻與核心外殼層氫燃燒階段恒星的分布明顯不符。圖片來源：李程遠，何銳思；KIAA。

我們的觀測目標是NGC 1651——一個位于大麥哲倫星系中、20億歲、正步入中年的星團。我們關(guān)注的地方有兩個：一是那些快要耗盡核心氫儲備的恒星——這是以往研究的重點；二是那些正在燃燒核心周圍殼層里氫的恒星。對于那些燃燒核心氫的恒星，我們同前人一樣也發(fā)現(xiàn)，不同恒星離開這一階段時的溫度差異很大；但是，當我們把目光轉(zhuǎn)向那些溫度相近的、正在燃燒核心區(qū)周圍殼層的氫的恒星時，我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，它們之間亮度相差非常之小。根據(jù)這一結(jié)果，我們得出的結(jié)論是：這個星團中的所有恒星，其年齡差異不超過8000萬年，比起星團的年齡來，這點差異算是非常小了。

目前，NGC 1651是我們找到的、其中恒星具有完全單一年齡成分的最好例子。另外，我們還找到了一些具有類似特征的中年星團。這些研究都表明，至少對中年星團來說，當今普遍的看法可能是錯誤的，一個星團中所有的恒星也許都有著幾乎相同的年齡。

其實，十年前天文學(xué)家曾經(jīng)提出過這樣的看法：任何一個星團中的恒星都應(yīng)該具有相同的年齡。后來這種看法漸漸失寵了，因為天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一些證據(jù)，證明至少在銀河系最古老、最龐大的星團中，確實存在著不同年齡的恒星。不過，我們在《自然》雜志上發(fā)表的論文，將使這一被打入冷宮的看法重新獲得人們的正視。同行評審對論文的評價是“堅實可靠、令人信服”，我們希望，這份結(jié)果能夠解決天文學(xué)家持續(xù)了十年的爭論。

除此之外，我們認為，進入核心氫燃燒末期的恒星亮度之所以相差很大，原因或許在于恒星自轉(zhuǎn)：如果兩顆恒星年齡完全相同，但是自轉(zhuǎn)速率差別很大，觀測結(jié)果也會顯示出不同的有效溫度。而現(xiàn)在的模型往往沒有考慮恒星自轉(zhuǎn)。將來的研究如果能更好地建立恒星自轉(zhuǎn)模型，并以此來解釋不同恒星離開核心氫燃燒階段時溫度的差異，或許可以對星團的年齡問題給出更好的解釋。

最古老的星團：成分“并不簡單”

包含超過10萬顆恒星，年齡高達100億歲的球狀星團，是與銀河系一樣古老的密集星群。前面說過，天文學(xué)家正是在球狀星團中發(fā)現(xiàn)了不同年齡的恒星種族，而我們的研究并不推翻這一認識。

“我們曾經(jīng)以為自己對這些古老的星團了如指掌，”加拿大麥克馬斯特大學(xué)的埃里森?西爾斯（Alison Sills）說，“我們告訴學(xué)生說，這些星團里所有的恒星都是同一時期從一塊巨大的云氣中誕生的，各個恒星按照自己的生命軌跡演化、死亡，但星團中不再有新的恒星出生?！?/p>

不過在上世紀中葉，人們在星團中發(fā)現(xiàn)了一類稱為“藍離散星”的恒星。如果它們和星團的年齡相同，那么如此大質(zhì)量的恒星應(yīng)該早就離開主序，進入演化末期了才對，不可能繼續(xù)以熾熱而明亮的面目存在。對此，目前的解釋是恒星相互作用：當兩顆“正?！钡暮阈亲叩锰蛊渲幸活w星的物質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一顆星上，或者可能融合形成一顆新恒星。

“天文學(xué)家認為，在這些密集的星團中，數(shù)千顆恒星擠在一塊相對狹小的空間里，每顆星的運動都受到其他恒星引力的影響，其運行軌跡將非常復(fù)雜。就好比一個沒有交通燈的十字路口，近距離接觸和直接碰撞的概率都非常大?！蔽鳡査菇忉屨f。

圖3 球狀星團杜鵑座47的核心是很多藍離散星的聚居地。藍離散星是一些不知什么原因重新“煥發(fā)青春”，像大質(zhì)量年輕恒星一樣發(fā)出明亮藍色光的恒星。陸基望遠鏡獲得的圖像（左）顯示了杜鵑座47擁擠的核心區(qū)，它距離我們約15000光年遠。哈勃太空望遠鏡寬視場和行星相機（WFPC2）深入觀察了球狀星團明亮的核心，將陸基望遠鏡視野中密集的“星塊”分解成一顆顆恒星（右）。其中一些發(fā)出老年恒星特征的光，另一些則發(fā)出藍離散星典型的藍色的光。哈勃太空望遠鏡還給出了一些藍離散星的位置（圖像中用黃色圓圈標出）。圖片來源：Rex Saffer (Villanova University), Dave Zurek (STScI), NASA Goddard Space Flight Center (NASA-GSFC)。

哈勃太空望遠鏡的觀測顯示，球狀星團中先后形成了兩代恒星，而不是只有一代。不過這里的“第二代恒星”與銀河系其他地方的情況也不一樣。在球狀星團中，至少有一部分的第二代恒星，它們并不是來源于上一代爆發(fā)的超新星殘骸，而是從第一代恒星緩慢拋出的物質(zhì)中孕育的。這種“代際關(guān)系”令人費解，天文學(xué)家仍在努力探索球狀星團中出現(xiàn)這種情況的原因。

“研究星團中的那些普通恒星，可以幫助天文學(xué)家弄清恒星是如何活動和死亡的，”西爾斯說，“而通過這些異類，現(xiàn)在我們還能看得更遠些，了解到它們?nèi)绾握Q生。關(guān)注一個群體中不同尋常的個體總是值得的，你永遠不知道它們能告訴你什么。”

老星團，新認識

哈勃太空望遠鏡對一個鄰近的小星系——天爐座矮橢球星系中的球狀星團進行觀測，發(fā)現(xiàn)它們與銀河系中的球狀星團非常相似。因此可以推測，它們的形成方式也是相似的。目前關(guān)于球狀星團形成的主流理論預(yù)言，球狀星團的周圍必定存在著數(shù)量巨大的老年恒星。但是，盡管老年恒星在銀河系中非常普遍，在小小的天爐座星系中卻幾乎沒有什么老年恒星。因此，問題變得更加復(fù)雜了。

我們已經(jīng)看到，球狀星團是宇宙中最大的謎團之一。過去十年的研究表明，很多銀河系中球狀星團的形成歷史要比我們想象的復(fù)雜得多。它們至少由兩個不同的星族組成：其中大約有一半的恒星，是最初形成的第一代“正?！焙阈?；剩下的一半組成了所謂“第二代”恒星，即富金屬星（這里的“金屬”指比氫、氦重的所有元素）。其中，氮的含量可高達第一代恒星的50~100倍。

富金屬星在銀河系球狀星團中的比例遠遠超過了天文學(xué)家的估計?；蛘哒f，與富金屬星相比，現(xiàn)存第一代恒星的數(shù)量嚴重不足。因此，主流的解釋認為，這些星團曾經(jīng)容納了過多的恒星，不過后來，第一代恒星中的很大一部分都被拋出了星團。

這個解釋對銀河系中的球狀星團是有效的，因為那些被拋出的第一代恒星很容易進入巨大的銀暈，并與它們相似的其他老年恒星混在一起。但天文學(xué)家使用哈勃望遠鏡的寬視場相機（WFC3）對天爐座星系中四個球狀星團的最新觀測結(jié)果，使這一理論陷入了困境：比銀河系小得多的天爐座星系并不能為離開星團的第一代恒星提供藏身之地。

“當我們發(fā)現(xiàn)銀河系中的星團比我們原來想的還要復(fù)雜后，我們構(gòu)造了很多理論來解釋為什么會如此。但真要檢驗這些星團的形成理論，還必須要了解銀河系之外的情況?！焙商m奈梅亨大學(xué)的索倫?拉爾森（S?ren Larsen）說?！爸拔覀儾⒉恢?，小星系中的球狀星團是否也擁有多代恒星；而這次的觀測清楚地表明，它們確實有！”

天文學(xué)家對天爐座星系中的四個星團的細致觀測顯示，它們也擁有第二個、富含金屬的星族。觀測結(jié)果同時指出，不僅這四個星團本身具有相似的起源，它們的形成過程與銀河系中的星團也相類似。天文學(xué)家使用哈勃望遠鏡的觀測結(jié)果，測量了星團中恒星的氮含量，發(fā)現(xiàn)在每個星團中，都有大約一半的恒星與銀河系球狀星團中的富氮星具有相同量級的氮含量。富金屬星的比例如此之高，表明天爐座球狀星團的形成機制與銀河系球狀星團很可能是相同的。

從富金屬星的數(shù)量來看，這些球狀星團過去的質(zhì)量可能是現(xiàn)在的十倍；它們“踢”出了大量的第一代恒星，才縮小到現(xiàn)在的尺寸。但是，被踢出去的恒星到哪里去了？天爐座星系里并沒有像銀河系中那么多的老年恒星。

“如果這些被踢出的恒星還在（星系里），我們應(yīng)該能看到它們；可是我們并沒有看到?！钡湂W胡斯大學(xué)的弗蘭克?格倫達爾（Frank Grundahl）說?！爸荒苷J為，是我們的星團形成理論錯了。天爐座星系中沒有哪個地方能夠安置這么多離開星團的恒星，因此，這些星團過去不可能有理論預(yù)言的那么大?！?/p>

圖5 “哈勃”的這幅新圖像拍攝的是球狀星團IC 4499。圖片來源：ESA/NASA

這一發(fā)現(xiàn)意味著，目前關(guān)于存在復(fù)合星族的球狀星團形成的主流理論不太可能是正確的。這些在銀河系和深空中廣泛存在的天體是如何出現(xiàn)的？天文學(xué)家不得不重新思考這個問題。

不過似乎并不是所有的球狀星團都有多代恒星。科學(xué)家認為，在背后決定一切的，是萬有引力：星團質(zhì)量越大，就越能留住恒星形成所必需的氣體和塵埃。星團的質(zhì)量決定了是否能夠形成第二代恒星。

這里要用到的例子是球狀星團IC 4499。有一類小質(zhì)量球狀星團，我們在其中只觀測到一代恒星；另一類大質(zhì)量球狀星團，我們在其中觀測到不止一代恒星。球狀星團IC 4499的質(zhì)量則介于兩者之間。通過研究IC 4499這樣的星團，天文學(xué)家就能夠發(fā)現(xiàn)質(zhì)量是如何影響星團中恒星成分的。在哈勃太空望遠鏡對IC 4499的最新觀測結(jié)果中，天文學(xué)家沒有發(fā)現(xiàn)存在多代恒星的跡象。這也支持了小質(zhì)量星團一般只包含一代恒星的看法。

作為銀河系中非常重要的組成部分，球狀星團的形成和演化仍給人們留下了許多未解之謎。它們讓我著迷！在那些球狀星團中，埋藏著豐富的、可供恒星和星系物理學(xué)研究者挖掘的寶藏。我相信，在未來的幾年里，借助哈勃太空望遠鏡的數(shù)據(jù)，我們將會做出更多激動人心的新發(fā)現(xiàn)！