佘惠敏

恒星從何而來(lái)

論文的領(lǐng)銜作者李程遠(yuǎn)在完成此項(xiàng)工作時(shí)，是北京大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生，現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員。

在給筆者解釋他的研究成果之前，李程遠(yuǎn)先講述了恒星的來(lái)歷：“一開(kāi)始，空間中沒(méi)有恒星，只有氣體云，恒星實(shí)際上是從廣袤的氣體云中坍塌形成的?！?/p>

要形成恒星，必須有氣體。在一團(tuán)很大的氣體云中，先扎堆形成一大批恒星，組成星團(tuán)。其中有一些大質(zhì)量恒星，質(zhì)量是太陽(yáng)的幾十倍到上百倍。這些超大恒星壽命特別短，不會(huì)超過(guò)一千萬(wàn)年，一般就幾百萬(wàn)年，它們臨終時(shí)變成超新星爆發(fā)，發(fā)出強(qiáng)光。

一顆超新星在爆炸那一刻，其物質(zhì)朝外的噴射速度甚至可以達(dá)到3萬(wàn)千米每秒，是光速的十分之一。這個(gè)猛烈爆炸的能量傳遞到周邊的氣體云時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的激波，再一次將氣體云加速到幾百甚至上千千米每秒。在不到一千萬(wàn)年的時(shí)間內(nèi)，星團(tuán)中所有的殘余氣體就會(huì)被一掃而光。

在大質(zhì)量恒星完成超新星爆發(fā)后，星團(tuán)中本來(lái)?yè)碛械拇笃臍怏w云很快就會(huì)被吹走，從而造成一個(gè)巨大的沒(méi)有氣體的空洞，將星團(tuán)的主體部分暴露在天文學(xué)家的視野中。當(dāng)天文學(xué)家們觀測(cè)年齡大于一千萬(wàn)年的星團(tuán)時(shí)，他們看到的星團(tuán)是不包含任何氣體的。

“星團(tuán)中沒(méi)有氣體，就不可能形成新的恒星了。所以天文學(xué)家認(rèn)為，星團(tuán)中的恒星，年齡非常接近，都要在第一顆超新星爆發(fā)之前的幾百萬(wàn)年間誕生?！崩畛踢h(yuǎn)說(shuō)。

現(xiàn)在我們觀測(cè)到的絕大多數(shù)有規(guī)模的星團(tuán)，其年齡都在數(shù)十億年以上，一千萬(wàn)年對(duì)它們來(lái)說(shuō)就像一瞬間，因此，就如同一個(gè)班的同學(xué)基本都是同年出生的一樣，天文學(xué)家們相信，星團(tuán)中的恒星，其年齡成分也是單一的。

然而，近年的高分辨率觀測(cè)發(fā)現(xiàn)了銀河系的球狀星團(tuán)普遍包含兩個(gè)或更多恒星星族，這使得天文學(xué)家們對(duì)星團(tuán)中恒星形成的理論產(chǎn)生了懷疑。

“觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，大星團(tuán)的恒星年齡并不是那么一致，甚至有幾十億年或者幾億年的差距。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)超新星爆發(fā)所允許的時(shí)間差?！崩畛踢h(yuǎn)解釋說(shuō)。

氣體在星團(tuán)形成的最初幾千萬(wàn)年就被吹走了，接下來(lái)幾億年里形成恒星的氣體從哪里來(lái)？

星團(tuán)中恒星如何形成一直是現(xiàn)代天體物理的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。遺憾的是，由于銀河系中的球狀星團(tuán)全部都十分年老，漫長(zhǎng)的演化過(guò)程使得這些多重星族早已失去了其形成初期的動(dòng)力學(xué)特征。盡管天文學(xué)家觀測(cè)到了多星族現(xiàn)象，但對(duì)于球狀星團(tuán)該如何產(chǎn)生第二族和以后的恒星，以及它們?nèi)绾窝莼葐?wèn)題，一直缺乏觀測(cè)證據(jù)和理論上的詮釋。

李程遠(yuǎn)與他的兩位導(dǎo)師——國(guó)家天文臺(tái)研究員鄧?yán)畈?、北京大學(xué)科維理天文和天體物理研究所教授理查德·德·何銳思開(kāi)始了對(duì)這個(gè)問(wèn)題的挑戰(zhàn)。他們意識(shí)到，在更為年輕的大質(zhì)量星團(tuán)中搜尋證據(jù)，可能是解決問(wèn)題的關(guān)鍵鑰匙。他們共同設(shè)計(jì)了一項(xiàng)計(jì)劃，利用美國(guó)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)展了歷時(shí)一年的仔細(xì)研究。

搜遍星團(tuán)內(nèi)外

星團(tuán)中的年輕星族從哪里來(lái)？

有多種可能。比如星團(tuán)足夠大，氣體還沒(méi)來(lái)得及逃出去就被引力拉回來(lái)，形成下一代恒星。這要求星團(tuán)的質(zhì)量是現(xiàn)在觀測(cè)到的星團(tuán)質(zhì)量的百倍以上，是太陽(yáng)質(zhì)量的上百萬(wàn)到上千萬(wàn)倍。但天文學(xué)家們?cè)谟^測(cè)中從未見(jiàn)過(guò)這么大的年輕星團(tuán)。

由于銀河系的星團(tuán)普遍比較老，證據(jù)不易尋找，李程遠(yuǎn)把目光投向了銀河系外的星團(tuán)。他對(duì)三個(gè)河外星團(tuán)進(jìn)行了研究，它們的質(zhì)量分別是3.2萬(wàn)個(gè)、5萬(wàn)個(gè)、18萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，這個(gè)質(zhì)量不足以抵抗超新星爆發(fā)的氣體逃逸，卻都形成了第二批恒星，有一個(gè)甚至還有第三批恒星。

“2014年冬天，當(dāng)我分析系外星團(tuán)NGC1783的數(shù)據(jù)時(shí)，我發(fā)現(xiàn)了兩支年齡幾乎單一的恒星星族?！崩畛踢h(yuǎn)介紹說(shuō)，“屬于同一個(gè)分支的恒星，它們的年齡幾乎完全相同，就像是在過(guò)去的一瞬間突然形成的。我立刻意識(shí)到，我們大概發(fā)現(xiàn)中年星團(tuán)中的第二代恒星了?！?/p>

通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析，李程遠(yuǎn)發(fā)現(xiàn)這些新的恒星實(shí)際上是星團(tuán)從外部吸收形成的。

“我們要比較它們的運(yùn)動(dòng)與星團(tuán)大部分恒星的運(yùn)動(dòng)是否一致。如果一致，說(shuō)明起源相同。我們發(fā)現(xiàn)它們的運(yùn)動(dòng)特質(zhì)不一樣，說(shuō)明它們的起源不一樣。”李程遠(yuǎn)說(shuō)，年輕星族的運(yùn)動(dòng)特性跟一代星族不同，它們很可能是外部來(lái)的?！澳贻p的恒星傾向于分布在星團(tuán)外圍。如果是自己氣體產(chǎn)生的話，根據(jù)計(jì)算應(yīng)該靠星團(tuán)內(nèi)部，但我們看到的分布不一樣。這3個(gè)星團(tuán)，包含的4支新的恒星族，都分布在星團(tuán)外圍。”

一直以來(lái)，天文學(xué)家們都認(rèn)為星團(tuán)是通過(guò)自身第一代恒星爆炸之后殘留的氣體來(lái)形成第二代恒星的。而研究團(tuán)隊(duì)最終推斷：星團(tuán)中年輕的恒星星族很可能是外來(lái)物質(zhì)的產(chǎn)物。星團(tuán)圍繞星系旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，偶遇到大片的云，只要條件合適，就可以從中抓到氣體，使之形成恒星。它們不是最初的云形成的，是遇到外來(lái)云形成的。

“這些恒星像是寄生在星團(tuán)中的新成員?！编?yán)畈沤忉屨f(shuō)：“過(guò)去主流的解釋是星團(tuán)中的新恒星源自內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)，但似乎并不自洽。”

理查德回憶說(shuō)：“我們提出了很多傳統(tǒng)框架下的模型，但最終都被一一排除了?？茖W(xué)研究就是這樣，新的認(rèn)知在達(dá)成前總會(huì)走很多彎路。”

星團(tuán)中不止有同一批次的“土著”，也有不同批次的“外來(lái)戶”。對(duì)于這一發(fā)現(xiàn)，《自然》雜志的審稿專家們?cè)u(píng)價(jià)說(shuō)：“2015年夏天夏威夷的國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)上，人們還在為球狀星團(tuán)的多星族問(wèn)題爭(zhēng)執(zhí)不休，這一結(jié)果來(lái)得真是恰到好處！……這一工作為星團(tuán)研究打開(kāi)了一扇全新的窗口！”

研究團(tuán)隊(duì)的成員除了李程遠(yuǎn)和他的兩位導(dǎo)師外，還包括為本項(xiàng)工作作出貢獻(xiàn)的國(guó)家天文臺(tái)新宇和胡義副研究員。此文合作者還有美國(guó)西北大學(xué)的天文學(xué)家。國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)嚴(yán)俊說(shuō)：“該合作團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期專注于星團(tuán)物理研究，不僅利用歸檔數(shù)據(jù)連續(xù)取得了高顯示度成果，還在設(shè)備發(fā)展和實(shí)測(cè)研究中卓有建樹(shù)?！?/p>

“觀星”不能靠“撿漏”

“這其實(shí)是一個(gè)‘撿漏的發(fā)現(xiàn)。”在筆者詢問(wèn)此次發(fā)現(xiàn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源時(shí)，李程遠(yuǎn)的感慨令人吃驚。

這個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，使用的是美國(guó)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在2007年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，也就是國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)嚴(yán)俊所說(shuō)的“歸檔數(shù)據(jù)”。作為研究目標(biāo)的三個(gè)河外星團(tuán)，是近十年前在意大利帕多瓦天文臺(tái)的天文學(xué)家們所觀測(cè)的，他們的研究目標(biāo)是三個(gè)星團(tuán)中的第一批恒星，并未關(guān)注其中更年輕的星族，這才給了我們“撿漏”的機(jī)會(huì)。

太空望遠(yuǎn)鏡一直是天文學(xué)家的夢(mèng)想。因?yàn)橥ㄟ^(guò)地面望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)太空總會(huì)受到大氣層的影響，因而在太空設(shè)立望遠(yuǎn)鏡意味著把人類的眼睛放到了太空，盲點(diǎn)將降到最小。比如現(xiàn)在最成功的太空望遠(yuǎn)鏡——哈勃望遠(yuǎn)鏡，就獲得了許多重大發(fā)現(xiàn)，包括拍攝到了遙遠(yuǎn)星系的“引力透鏡”和新恒星誕生的“搖籃”。

但目前中國(guó)還沒(méi)有自己的太空光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，連地面最大的通用型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡口徑也只有2.4米，遠(yuǎn)落后于國(guó)際上的發(fā)達(dá)國(guó)家。1990年發(fā)射升空的哈勃望遠(yuǎn)鏡是美國(guó)的，2013年發(fā)射的蓋亞空間望遠(yuǎn)鏡是歐洲的。對(duì)這些望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)分配，歐美國(guó)家的天文學(xué)家有優(yōu)先權(quán)，比如哈勃的數(shù)據(jù)就是一年后再公開(kāi)。這讓我們的天文學(xué)家，在需要太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)數(shù)據(jù)的研究領(lǐng)域中，只能無(wú)奈地“撿漏”。

“撿漏”，既說(shuō)明了我國(guó)天文學(xué)家們優(yōu)秀的專業(yè)素質(zhì)，也反映了我國(guó)天文觀測(cè)設(shè)備的不足。

在探索太空的征程中，我們可以撿漏，但不能只靠撿漏。

好在隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)和各種科學(xué)計(jì)劃的陸續(xù)實(shí)施，這個(gè)問(wèn)題有望得到解決。中國(guó)第一臺(tái)太空望遠(yuǎn)鏡“悟空”已經(jīng)于 2015年底升上太空，它雖然不是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，卻具備探測(cè)暗物質(zhì)粒子的“火眼金睛”。而“十三五”期間，我國(guó)有望發(fā)射自己的太空光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。計(jì)劃進(jìn)行系外行星探索的項(xiàng)目“STEP”，跟“悟空”同屬中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)，已被遴選為該專項(xiàng)的背景型號(hào)任務(wù)。STEP計(jì)劃將發(fā)射一顆衛(wèi)星，衛(wèi)星攜帶著一臺(tái)大口徑、長(zhǎng)焦距、工作在可見(jiàn)光波段的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，旨在搜尋太陽(yáng)系附近的類地行星，并開(kāi)展太陽(yáng)系附近行星系統(tǒng)的精確探測(cè)研究，同時(shí)為宇宙距離尺度定標(biāo)。

我們期待著，中國(guó)早日擁有自己的太空光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和大口徑地面光學(xué)及近紅外望遠(yuǎn)鏡，讓天文學(xué)家們探索出更多的宇宙奧秘。