□ 文 何銳思（Richard de Grijs）/翻譯 程思淼

探秘星團(tuán)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(huì)（MPG）和歐洲南方天文臺(tái)（ESO）共用的智利拉西拉天文臺(tái)MPG/ESO 2.2米望遠(yuǎn)鏡拍攝的明亮星團(tuán)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(lán)色光芒，但質(zhì)量更大的恒星則已經(jīng)進(jìn)入紅巨星階段，發(fā)出橙黃色的光。圖片來(lái)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(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)天文發(fā)展辦公室東亞分站負(fù)責(zé)人。

新理論：中年星團(tuán)中的恒星年齡都相近！

仔細(xì)觀察夜空我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，星星很少單獨(dú)出現(xiàn)，而是常常聚集成星團(tuán)。有的星團(tuán)里恒星可多達(dá)上百萬(wàn)顆。這種在星團(tuán)王國(guó)中年齡最大、所含星數(shù)最多的，就是所謂的“球狀星團(tuán)”。人們?cè)欢纫詾?，自己?duì)它們已經(jīng)了如指掌——球狀星團(tuán)不過(guò)是簡(jiǎn)單地聚在一起的一群恒星罷了，而且這些恒星并不是同時(shí)誕生，是在超過(guò)3億年的時(shí)期里逐步形成的。不過(guò)，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(tuán)中，恒星形成的情況并非如此。利用哈勃太空望遠(yuǎn)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(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，至少在大質(zhì)量中年星團(tuán)中，所有恒星都是同時(shí)誕生的。

恒星的生命始于一團(tuán)由塵埃和氣體組成的云。在引力的作用下，這團(tuán)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(dá)到足夠高的溫度，點(diǎn)燃將氫聚合成氦的核反應(yīng)。這一過(guò)程釋放巨大的能量，使恒星發(fā)出明亮的光。幾十億年后，當(dāng)核心區(qū)的氫儲(chǔ)備告罄，恒星就開(kāi)始燃燒核心周?chē)鷼拥臍?。這會(huì)使恒星（表面）的溫度發(fā)生變化。

以前的觀測(cè)顯示，在一個(gè)老齡的大質(zhì)量星團(tuán)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(jì)算得出，這些恒星的年齡差異可以達(dá)到、甚至超過(guò)3億年。

“這個(gè)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(yuǎn)說(shuō)?！耙?yàn)槟贻p的星團(tuán)在誕生后的1000萬(wàn)年里，會(huì)迅速失去可以形成恒星的氣體?！币虼?，同一個(gè)星團(tuán)里的恒星，其年齡的差異應(yīng)該很難超過(guò)1000萬(wàn)年。

圖1 NGC 1651是位于大麥哲倫星系中的一個(gè)中年星團(tuán)。盡管我們?cè)詾槠渲械暮阈悄挲g相差很大，但最新的研究表明，它們的年齡幾乎相同。圖片來(lái)源：NASA/ESA Hubble Space Telescope/Fabian RRRR。

圖2 星團(tuán)NGC 1651的赫羅圖，每個(gè)點(diǎn)代表一顆恒星的觀測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)點(diǎn)的彌散被認(rèn)為是星團(tuán)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(jì)算的結(jié)果如圖中兩條線所示，藍(lán)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(tuán)NGC 1651中那些剛離開(kāi)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(lái)源：李程遠(yuǎn)，何銳思；KIAA。

我們的觀測(cè)目標(biāo)是NGC 1651——一個(gè)位于大麥哲倫星系中、20億歲、正步入中年的星團(tuán)。我們關(guān)注的地方有兩個(gè)：一是那些快要耗盡核心氫儲(chǔ)備的恒星——這是以往研究的重點(diǎn)；二是那些正在燃燒核心周?chē)鷼永餁涞暮阈?。?duì)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(kāi)這一階段時(shí)的溫度差異很大；但是，當(dāng)我們把目光轉(zhuǎn)向那些溫度相近的、正在燃燒核心區(qū)周?chē)鷼拥臍涞暮阈菚r(shí)，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(gè)星團(tuán)中的所有恒星，其年齡差異不超過(guò)8000萬(wàn)年，比起星團(tuán)的年齡來(lái)，這點(diǎn)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(lèi)似特征的中年星團(tuán)。這些研究都表明，至少對(duì)中年星團(tuán)來(lái)說(shuō)，當(dāng)今普遍的看法可能是錯(cuò)誤的，一個(gè)星團(tuán)中所有的恒星也許都有著幾乎相同的年齡。

其實(shí)，十年前天文學(xué)家曾經(jīng)提出過(guò)這樣的看法：任何一個(gè)星團(tuán)中的恒星都應(yīng)該具有相同的年齡。后來(lái)這種看法漸漸失寵了，因?yàn)樘煳膶W(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(tuán)中，確實(shí)存在著不同年齡的恒星。不過(guò)，我們?cè)凇蹲匀弧冯s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(píng)審對(duì)論文的評(píng)價(jià)是“堅(jiān)實(shí)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(zhēng)論。

除此之外，我們認(rèn)為，進(jìn)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(cè)結(jié)果也會(huì)顯示出不同的有效溫度。而現(xiàn)在的模型往往沒(méi)有考慮恒星自轉(zhuǎn)。將來(lái)的研究如果能更好地建立恒星自轉(zhuǎn)模型，并以此來(lái)解釋不同恒星離開(kāi)核心氫燃燒階段時(shí)溫度的差異，或許可以對(duì)星團(tuán)的年齡問(wèn)題給出更好的解釋。

最古老的星團(tuán)：成分“并不簡(jiǎn)單”

包含超過(guò)10萬(wàn)顆恒星，年齡高達(dá)100億歲的球狀星團(tuán)，是與銀河系一樣古老的密集星群。前面說(shuō)過(guò)，天文學(xué)家正是在球狀星團(tuán)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(rèn)識(shí)。

“我們?cè)?jīng)以為自己對(duì)這些古老的星團(tuán)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(shuō)，“我們告訴學(xué)生說(shuō)，這些星團(tuán)里所有的恒星都是同一時(shí)期從一塊巨大的云氣中誕生的，各個(gè)恒星按照自己的生命軌跡演化、死亡，但星團(tuán)中不再有新的恒星出生?！?/p>

不過(guò)在上世紀(jì)中葉，人們?cè)谛菆F(tuán)中發(fā)現(xiàn)了一類(lèi)稱(chēng)為“藍(lán)離散星”的恒星。如果它們和星團(tuán)的年齡相同，那么如此大質(zhì)量的恒星應(yīng)該早就離開(kāi)主序，進(jìn)入演化末期了才對(duì)，不可能繼續(xù)以熾熱而明亮的面目存在。對(duì)此，目前的解釋是恒星相互作用：當(dāng)兩顆“正?！钡暮阈亲叩锰?，引力會(huì)使其中一顆星的物質(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(rèn)為，在這些密集的星團(tuán)中，數(shù)千顆恒星擠在一塊相對(duì)狹小的空間里，每顆星的運(yùn)動(dòng)都受到其他恒星引力的影響，其運(yùn)行軌跡將非常復(fù)雜。就好比一個(gè)沒(méi)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。”西爾斯解釋說(shuō)。

圖3 球狀星團(tuán)杜鵑座47的核心是很多藍(lán)離散星的聚居地。藍(lán)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(lán)色光的恒星。陸基望遠(yuǎn)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(yuǎn)。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡寬視場(chǎng)和行星相機(jī)（WFPC2）深入觀察了球狀星團(tuán)明亮的核心，將陸基望遠(yuǎn)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(lán)離散星典型的藍(lán)色的光。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡還給出了一些藍(lán)離散星的位置（圖像中用黃色圓圈標(biāo)出）。圖片來(lái)源：Rex Saffer (Villanova University), Dave Zurek (STScI), NASA Goddard Space Flight Center (NASA-GSFC)。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)顯示，球狀星團(tuán)中先后形成了兩代恒星，而不是只有一代。不過(guò)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(tuán)中，至少有一部分的第二代恒星，它們并不是來(lái)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(fèi)解，天文學(xué)家仍在努力探索球狀星團(tuán)中出現(xiàn)這種情況的原因。

“研究星團(tuán)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(dòng)和死亡的，”西爾斯說(shuō)，“而通過(guò)這些異類(lèi)，現(xiàn)在我們還能看得更遠(yuǎn)些，了解到它們?nèi)绾握Q生。關(guān)注一個(gè)群體中不同尋常的個(gè)體總是值得的，你永遠(yuǎn)不知道它們能告訴你什么。”

老星團(tuán)，新認(rèn)識(shí)

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)一個(gè)鄰近的小星系——天爐座矮橢球星系中的球狀星團(tuán)進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)它們與銀河系中的球狀星團(tuán)非常相似。因此可以推測(cè)，它們的形成方式也是相似的。目前關(guān)于球狀星團(tuán)形成的主流理論預(yù)言，球狀星團(tuán)的周?chē)囟ù嬖谥鴶?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(méi)有什么老年恒星。因此，問(wèn)題變得更加復(fù)雜了。

我們已經(jīng)看到，球狀星團(tuán)是宇宙中最大的謎團(tuán)之一。過(guò)去十年的研究表明，很多銀河系中球狀星團(tuán)的形成歷史要比我們想象的復(fù)雜得多。它們至少由兩個(gè)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(dá)第一代恒星的50~100倍。

富金屬星在銀河系球狀星團(tuán)中的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了天文學(xué)家的估計(jì)。或者說(shuō)，與富金屬星相比，現(xiàn)存第一代恒星的數(shù)量嚴(yán)重不足。因此，主流的解釋認(rèn)為，這些星團(tuán)曾經(jīng)容納了過(guò)多的恒星，不過(guò)后來(lái)，第一代恒星中的很大一部分都被拋出了星團(tuán)。

這個(gè)解釋對(duì)銀河系中的球狀星團(tuán)是有效的，因?yàn)槟切┍粧伋龅牡谝淮阈呛苋菀走M(jìn)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(yuǎn)鏡的寬視場(chǎng)相機(jī)（WFC3）對(duì)天爐座星系中四個(gè)球狀星團(tuán)的最新觀測(cè)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(kāi)星團(tuán)的第一代恒星提供藏身之地。

“當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)銀河系中的星團(tuán)比我們?cè)瓉?lái)想的還要復(fù)雜后，我們構(gòu)造了很多理論來(lái)解釋為什么會(huì)如此。但真要檢驗(yàn)這些星團(tuán)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(shuō)?！爸拔覀儾⒉恢?，小星系中的球狀星團(tuán)是否也擁有多代恒星；而這次的觀測(cè)清楚地表明，它們確實(shí)有！”

天文學(xué)家對(duì)天爐座星系中的四個(gè)星團(tuán)的細(xì)致觀測(cè)顯示，它們也擁有第二個(gè)、富含金屬的星族。觀測(cè)結(jié)果同時(shí)指出，不僅這四個(gè)星團(tuán)本身具有相似的起源，它們的形成過(guò)程與銀河系中的星團(tuán)也相類(lèi)似。天文學(xué)家使用哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果，測(cè)量了星團(tuán)中恒星的氮含量，發(fā)現(xiàn)在每個(gè)星團(tuán)中，都有大約一半的恒星與銀河系球狀星團(tuán)中的富氮星具有相同量級(jí)的氮含量。富金屬星的比例如此之高，表明天爐座球狀星團(tuán)的形成機(jī)制與銀河系球狀星團(tuán)很可能是相同的。

從富金屬星的數(shù)量來(lái)看，這些球狀星團(tuán)過(guò)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(méi)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(méi)有看到?！钡湂W胡斯大學(xué)的弗蘭克?格倫達(dá)爾（Frank Grundahl）說(shuō)?！爸荒苷J(rèn)為，是我們的星團(tuán)形成理論錯(cuò)了。天爐座星系中沒(méi)有哪個(gè)地方能夠安置這么多離開(kāi)星團(tuán)的恒星，因此，這些星團(tuán)過(guò)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(tuán)IC 4499。圖片來(lái)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(tuán)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(gè)問(wèn)題。

不過(guò)似乎并不是所有的球狀星團(tuán)都有多代恒星?？茖W(xué)家認(rèn)為，在背后決定一切的，是萬(wàn)有引力：星團(tuán)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(tuán)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(tuán)IC 4499。有一類(lèi)小質(zhì)量球狀星團(tuán)，我們?cè)谄渲兄挥^測(cè)到一代恒星；另一類(lèi)大質(zhì)量球狀星團(tuán)，我們?cè)谄渲杏^測(cè)到不止一代恒星。球狀星團(tuán)IC 4499的質(zhì)量則介于兩者之間。通過(guò)研究IC 4499這樣的星團(tuán)，天文學(xué)家就能夠發(fā)現(xiàn)質(zhì)量是如何影響星團(tuán)中恒星成分的。在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)IC 4499的最新觀測(cè)結(jié)果中，天文學(xué)家沒(méi)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(tuán)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(tuán)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(tuán)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(lái)的幾年里，借助哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，我們將會(huì)做出更多激動(dòng)人心的新發(fā)現(xiàn)！