星团一生的故事

图中是位于智利拉西亚天文台2.2米望远镜上的宽视场成像仪拍摄到的星团NGC 3572。这是一群非常年轻的恒星，周围环绕着的是大量气体和尘埃，受到星风的影响被塑造成不同的姿态，所以才呈现出这么壮观、美丽的效果。这个星团中最亮的恒星比我们太阳的质量要重很多，最终将会以超新星爆发的方式结束自己短暂的生命。图片来源：ESO/G. Beccari

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星团一生的故事

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文  柯文采（Thijs Kouwenhoven）

译  程思淼

 

星团

星团是包含数百至数百万颗星的恒星集团，这些恒星被束缚在直径不超过几十光年的球体范围之内。大部分星团是疏散星团或球状星团，借助一架小型望远镜，你就能在天空中发现许多这样的恒星集团。疏散星团通常很年轻，质量也较小（只含有不超过一千颗恒星），在银河中随处可见它们的身影。球状星团则相反，它们包含超过一万颗恒星，迄今我们在银河系中只发现了大约150个。球状星团的年龄和我们的银河系一样大，它们也是研究古老恒星集团的完美目标。最年轻的恒星集团构成了第三类星团——当它们周围还残留着恒星形成阶段的气体时，它们常被称作“内埋星团”（embedded cluster）。天文学家常用这些星团来研究恒星和行星的形成过程。第四类星团是OB星协，这是新诞生的恒星组成的松散集团。最后一种是类星团天体：中心星团。它们是环绕星系中心超大质量黑洞运行的恒星集群。

图1   图中是钱德拉X射线天文台在X射线波段观测到的猎户四边形天体（内埋星团）。天文学家通过长期的观测发现，这个内埋星团里的一百万岁到一千万岁的年轻恒星产生的猛烈X射线爆发远要比我们的太阳上发生的剧烈得多。图片来源：NASA/CXC/Penn State/E.Feigelson & K.Getman et al.

肉眼可见最著名的星团包括金牛座的昴星团 （M45）、毕星团和巨蟹座的蜂巢星团（M44）。用一架小型望远镜你还能容易地找到英仙座著名的双星团。这些疏散星团离我们较近，因此观测起来不太困难。猎户星云星团也是天文爱好者常观测的目标之一，它非常年轻，仍然处在其中恒星形成时的气体包裹之中。而球状星团由于离我们较远，观测起来要困难一些：它们看上去就像一般的恒星。那些最亮的球状星团（半人马ω球状星团和杜鹃座47）中包含几百万颗恒星，但你得用望远镜才能真正把它们分解出来。最后，最容易观测的星团是那些刚刚死去的星团，其中年轻而明亮的恒星向着各个方向飞散出去。天鹅座、天蝎座和半人马座中的许多亮星，实际上都是从刚刚瓦解了的星团中逃逸出来的。

图2   斯皮策空间望远镜对离我们最近的恒星形成区——猎户星云——的观测结果，左为红外波段，右为可见光波段。这些图像显示出大多数恒星是如何在巨大的气体云中成群诞生的。图中可见两群年轻恒星：中间的是猎户星云星团，顶部的是NGC 1977。NGC 1977中年轻亮星的强烈星风在气体中吹出一条裂缝：在恒星形成过程中没有被利用的气体于是重新被吹回星系，以后将用于形成另外的恒星。图片来源：NASA/JPL-Caltech/Univ. of Toledo/NOAO

图3   英仙座双星团距我们约7000光年远，是暗夜中肉眼可见的几个壮观天体之一。不过，在大多数有人居住的环境中，你可能需要一台双筒望远镜才能看到它。这两个星团都很年轻，它们是在同一次恒星形成事件中产生的。计算机模拟表明，它们很有可能在几百万年之内融合为一个星团（Priyatikanto et al. 2016）。图片来源：Roth Ritter (Dark Atmospheres)

星团的诞生

球状星团是银河系中最古老的天体之一，他们在银河系还在集聚的时候就形成了。我们观测到的球状星团都很古老，从这一事实我们可以得出结论：（1）球状星团的寿命很长；（2）在银河系成形之后，几乎不再有新的球状星团产生。与之相反，疏散星团则比较年轻（天文学上的年轻，也就是说，年龄不超过十亿年）。由此我们可以类似地得出结论：（1）疏散星团的寿命较短；（2）在银河中随时都有新的疏散星团产生。

所有星团都是巨大的星际气体云在自身引力作用下收缩而形成的。这是一个十分混乱的过程，气体中的子团块会形成不同质量的恒星。不过虽然过程混乱，最终的结果就形成恒星的质量来说却是相似的：“初始质量函数”（initial mass function，IMF）无论在何时何地，看来都是非常相近的。总共有多少颗恒星形成出来，取决于一开始有多少气体可用。特别大质量的气体云会形成球状星团，较小质量的气体云则形成疏散星团。

图4   图中这些都是疏散星团，是天文学家们利用欧南台帕拉纳尔天文台的天文可见光及红外巡天望远镜（VISTA）在银河系的尘埃中新发现的。图片来源：ESO/J. Borissova

典型情况下，大约有一半的气体用于形成恒星（包括它们的行星）。其余未被利用的气体，通常会在新形成大质量恒星星风的吹拂之下逐渐退散。这就是为什么特别年轻的星团常被包裹在一个星际气体外壳中。偶尔，一颗超新星爆发会一次性地将星团周围的气体彻底除去。超新星的巨大威力，能够将周围的气体压缩到足以开始恒星形成的地步。这一过程称为“触发恒星形成”（triggered star formation），蛇夫座恒星形成区就是一个例子。

观测星团

由于同一个星团的成员差不多是同一时间在离我们差不多远的距离上形成的，星团成了许多天文学家偏爱的目标。理由很简单：如果你知道星团中一颗星的年龄和距离，你也就立刻知道了星团中所有星的年龄和距离，其中就包括一些你想要研究的非常稀有类型的恒星。另一方面，如果你在星团中找到一颗特殊类型的星，可以知道它的真实光度（比如是一颗造父变星或天琴座RR型变星），那么你立刻就可以推算出它的距离，因而整个星团的距离也就知道了。

因此世界上主要的天文台，包括郭守敬望远镜（LAMOST）和500米口径球面射电望远镜 （FAST），都会定期巡视我们附近的星团，寻找其中有趣的天体。一个值得一提的观测项目是盖亚天文卫星（Gaia）的巡天项目。Gaia是欧洲空间局的卫星任务，旨在精确地测量十亿个天体的距离、位置和速度，并由此绘制出银河系在我们附近区域的三维地图。Gaia已经释放了它的部分星表，这将极大地有助于我们对包括星团在内的整个宇宙的认识。

星团的一生

随着时间的流逝，星团将如何变化？这首先由恒星之间的引力决定。一颗恒星的行为主要取决于它所具有的能量。能量较少的恒星倾向于具有较小的速度并且沉入星团中心，而能量较大的恒星则具有较大速度并且会移动到星团的外围。随着恒星之间的相互作用，它们会倾向于在彼此之间平均分配能量。不过，也需要考虑到恒星的质量：由于大质量恒星需要更高的能量才能获得较高的速度，它们会比小质量恒星更倾向于获得较低的速度。这样一来，当所有的恒星都具有相近的能量，我们预计质量较大（因而速度也较慢）的恒星沉入星团的中心。这个重要的过程称为“质量层化”（mass segregation）。事实上，在真实的星团和计算机的模拟中，都观察到了这一过程。它解释了为什么我们观测到的大质量黑洞大都位于星团中心。

时间流逝，星团的成员星也会随之演化。有时在一场猛烈的超新星爆发之后，致密天体（白矮星、中子星、黑洞）形成了。在这样的事件中，一颗恒星的外层被高速抛出星团。如果残骸是一颗白矮星或黑洞，它通常仍能保持为星团的一部分，但如果残骸是一颗中子星，它往往会被立刻以高速踢出星团。因此，一个古老的星团中会有很多白矮星和黑洞，但很少有中子星。

每颗恒星一生中都会数百万次进入其他恒星的引力范围，因此两颗星就有可能形成新的双星系统。同样道理，当有另一颗星接近，双星系统也可能被破坏。在较密的星团里，两颗星之间甚至能发生物理上的碰撞，引发壮观的闪光，并随之产生出一颗蓝离散星。在某些特殊情况下，恒星间的反复碰撞会带来一颗超大质量的恒星，它在超新星爆发之后会形成一个位于星团中心的中等质量黑洞。

星团的计算机模拟

尽管星团随时间不断变化，我们在天空中只能看到每个星团生命中的一个定格。因此，要弄清星团是如何演化的并不容易。不像生物学家、化学家和物理学家，天文学家没法在实验室里开展实验。幸好，我们可以利用计算机模拟来研究一个星团过去发生了什么；它将来会发生什么；以及如果一个星团有着不同的历史（比如，如果它曾与另一星团发生碰撞），它看上去会有何不同。

图5   对一个包含一百万颗恒星的星团在120亿年间的活动进行的一次DRAGON计算机模拟。用于产生DRAGON模拟的NBODY6++GPU代码，是目前世界上速度最快的多体问题模拟代码，由北京大学的王龙教授研发。其主面板包含一个由计算机生成的、显示星团看上去样子的模型。其他面板分别显示其中主序星（MS）、红巨星（RG）、黑洞（BH）、双星、白矮星（WD）和渐近巨星支（AGB）恒星的位置。像这样的计算机模拟能够帮助天文学家弄清星团中发生的不同物理过程，以便重建星团的过去并预测它的未来。图片来源：Wang et al., 2016, MNRS 458, 1450

星团的命运主要由恒星之间的引力决定。尽管牛顿的引力定律简洁明了，进行计算机模拟仍然困难重重。精确模拟一个星团所需的数十亿计的计算量要求一台像国家天文台的“老虎”那样威力强大的计算机。另外，还需要设计缜密的计算机模型。目前，这项世界纪录的保持者是NBODY6++GPU计算机模拟代码，它可以模拟包含数百万颗恒星的星团在数十亿年间的演化。该代码由王龙开发，他曾是北京大学的博士生。其模拟结果（称为DRAGON模拟）可以在互联网上找到，用于分析和数据挖掘。它为我们提供了对球状星团比以前更为详细的认识。

星团的死亡

宇宙中没有什么是永生的：时间流逝，星团也会瓦解。前面已经说过，有些星团在形成之后立刻就瓦解了（我们的太阳可能就诞生在这样一个星团里）。星团的逐渐死亡主要由如下三个过程造成：恒星演化；恒星抛射以及由银河系引力造成的星团外层恒星剥离。当恒星死亡，它们的外层大气被高速抛出，飞离星团。虽然白矮星和黑洞往往会留在星团里，但是中子星会被高速抛出。单单由于恒星演化，一个星团就会损失20%~30%的质量。这会使星团中的引力减弱，其他恒星更容易逃逸，因此促进了星团的瓦解。

恒星绕星团运行时，相互之间会不断发生相互作用，交换能量。如果一颗星丢失了能量，它的速度减小，将会向星团中心下沉。如果一颗星获得能量，它的速度增大，将向外周上升。偶尔，一颗星获得的能量足以使它完全逃逸出星团之外，成为银河系中的一颗普通恒星，像我们的太阳一样。一般说来，由于较小的星团引力较小，从中逃逸是比较容易的。因此，疏散星团的成员星流失得较快，而球状星团的寿命则要长得多。

最后，星团并不是孤立存在的。与其他星团和分子云的碰撞虽然罕见，但确实能够完全摧毁一个星团。而更重要的是，来自星系的持续不断的强大引力一直在剥离星团外层的恒星。这就是所谓星系的潮汐力场：当一颗恒星位于星团的外周区域，来自星团的引力比来自星系的还要小，它就会被星系的引力剥离出去。从长期来看，这种潮汐剥离往往是一个星团瓦解的最重要因素。

图6  银河系中的星团“帕洛玛-5”（Palomar-5）最近正在经历潮汐撕裂。其中的成员星（中间的明亮黄点）有时运行到星团的外层，那里星团对其的引力跟银河系对其的引力相当。于是，这些恒星中会有相当一部分从“帕洛玛-5”中逃逸，流入银河当中。由于“帕洛玛-5”绕银心公转，这些逃逸出去的恒星会沿着与星团相似的轨道运行。其结果就是形成两条潮汐尾，这也就是宇宙中所有潮汐撕裂事件的典型现象。图片来源：Odenkirchen etal, 2019, Astrophysical Journal,137, 3378

星团能告诉我们什么？

哈罗·沙普利（HarlowShapley）1918年对球状星团的研究使他得以估计银河系的大小和质量。由于球状星团十分明亮，能够在很远的距离上观测到，它们今天仍被用来测量遥远星系的性质。由于一个星团的全部成员星差不多都在同样的距离上，并有着相近的年龄，星团能够为恒星（和它们的残骸）如何形成和演化提供关键的信息。其成员星频繁地相遇也影响了其中的双星，有时能使它们离得非常近，发生一些罕见的物理现象，比如恒星间的物理碰撞，甚至造成引力波事件。由于所有恒星都是在恒星形成区——其中很多演化为星团——形成的，对星团的研究还能提供有关行星系统诞生地的重要信息。通过研究星团，我们能够更加了解我们的太阳系——它可能也是在星团中形成的。我们的太阳系是特殊的吗？还是说，大多数行星系统都能在这些稠密的恒星诞生环境中熬过它们的童年？

 

责任编辑  冯翀