探秘恒星诞生地:星团一生的秘密(图)

2013-05-14 10:45:53  来源:环球科学杂志

探秘恒星诞生地

  探秘恒星诞生地

星团演化理论

  星团演化理论

  星团一生的秘密

  所有的恒星都是成群形成的,但随后会慢慢四散开去。一个新的理论正试图解释这些恒星集群是如何形成和瓦解的,抑或在罕见的情形下它们又是如何维持数亿年的。

  撰文 史蒂文?W?斯塔勒(Steven W. Stahler)

  翻译 谢懿

  夜空是星星的领地。在每一个方向上,明暗不同的恒星充满天际。一些星星看上去构成了特殊的图案,被称为星座。尽管这些图案很有趣,但绝大部分只不过是人类思想在天空中的投影。在银河系和其他星系中,大多数的恒星彼此之间并没有真正物理上的联系。

  或者,至少现在已不存在这样的联系了。每一颗恒星其实都诞生于一个恒星集群之中,周围簇拥着日后会渐行渐远的、年龄相仿的兄弟姐妹。天文学家之所以知道这一点,是因为这样的“恒星育婴室”至今仍有一些存在,它们被称为星团。猎户星云的星团也许是其中最著名的:在哈勃望远镜下,猎户星云星团的恒星在朦胧的尘埃和气体云中闪闪发光。在户外你能看到昴星团:它是金牛座中一片模糊的光斑。

  星团间差异巨大,有的只是几十个成员的脆弱联盟,而有的则是数百万颗恒星的集合。一些星团非常年轻——年龄只有几百万年,其些则诞生于宇宙创生初期。在它们之中,我们能找到处于恒星生命周期任意阶段的恒星。实际上,我们今天对星团的观测结果,就是现在学界所采纳的恒星演化理论的主要证据。恒星演化理论是20世纪天体物理学的伟大成果之一。

  然而,我们对于星团自身的内部机制和演化却所知甚少。该如何解释我们观测到的星团的多样性?我们对单颗恒星可谓知之甚多,而对形成它们的摇篮却知之甚少。

  20年前,我第一次遇到了这种具有讽刺意味的情形,当时我正和意大利阿切特里天体物理观测台(位于佛罗伦萨)的弗朗西斯科?帕拉(Francesco Palla)合作,着手撰写一本有关恒星形成的研究生教科书。那时,我们两人会定期来往于加利福尼亚州伯克利市和佛罗伦萨之间。当我们跟踪这个广袤领域的许多研究分支时,有关星团的未解之谜一直潜藏在我们的思绪中。

  一个下午,当我们在伯克利喝咖啡时,我突然有了一个念头。无论年龄和大小,也许相同的物理机制控制着所有的星团,也许一个简单变量就能解释这些机制作用在星团上的方式——这个变量就是每个星团的母星云的质量。为了证实我的想法,此后几十年,我把大部分时间都用在了收集证据上。

  恒星诞生地

  当我开始这一研究工作时,对于恒星如何形成,以及它们形成于什么类型的星团里,天文学家已经有了很深入的了解。恒星并非成形于真空,它们形成于巨大星云中,这些星云主要由氢分子和其他元素以及少量尘埃构成。这些星云散布于所有的星系中,每一个都会产生引力——不仅作用于恒星和星云之外的其他天体,还作用于星云自身之中的区域。由于星云自身的引力,那些气体和尘埃特别稠密的区域会坍缩成原恒星(protostar)。通过这种方式,由几十到数千颗恒星组成的星团便可以在星云中孕育而生。

  依据年龄,以及恒星的数目和密度,星团通常可分为5种类型。最年轻的恒星集群被称为内埋星团(embedded cluster),位于浓密的星云中,因而在这种星团中,恒星发出的可见光完全被遮挡,我们只能看到被恒星加热的尘埃发出的红外辐射,无法辨别这些原始星团的精细结构——这是一个永恒的谜题。

  相比之下,球状星团(globular cluster)则是最古老、成员最多的恒星集群。球状星团的年龄可以追溯到宇宙初期,它们可以将多达100万颗的恒星极为紧密地包裹在一起。这些成熟星团的母星云已经消失,其中的恒星清晰可见。然而,即便是最近的球状星团也与银河系的银盘有着相当远的距离,因此天文学家也难以详尽地研究它们。于是,为了有可操作性,我把研究目标限定在了3类星团上,这3类星团位于银河系银盘的平面上,因此最好观测。恒星分布最稀疏的那种星团叫做T星协(T association),因为它主要由最常见的年轻恒星——金牛T星组成。(太阳在“年幼”时也属于金牛T星。)每一个T星协都包含有多达几百颗这样的恒星,但并未被母星云完全遮蔽。T星协的持续时间不会很长:其中已观测到的最老T星协的年龄约为500万年——从宇宙的角度来看,只是一眨眼的功夫。

  科学家已经知道,T星协中母星云的质量要远大于其中恒星质量的总和。我想,这一特征可以解释,这些星团为什么寿命较短。质量决定引力的强度:质量越大,引力就越强。因此,如果一个星团中,母星云的质量远大于其成员恒星的总质量,那么这个母星云的引力——而非恒星施加在彼此身上的引力——必定会把该星团维系在聚集状态。如果这个母星云消散了,恒星就会四散开去。天文学家认为,是恒星风(stellar wind,由恒星表面向外喷射出的有力气流)最终吹散了T星协的母星云,释放出了先前被束缚在一起的这些恒星。

  银河系中,另一类容易观测的恒星集群被称为OB星协,这个名字来自其中的两种特别的恒星,即宇宙中最明亮且质量最大的O型和B型恒星。通常来说,OB星协所含恒星的数目大约是T星协的10倍,其中还有少量O型和B型恒星。猎户星云星团就是一个为人所熟知的例子:它位于约1 500光年之外,由4颗大质量恒星和约2 000颗低质量恒星组成,也包括了许多金牛T星。 在银河系中,猎户星云星团是距离我们较近的区域里恒星密度最高的(猎户星云距离地球约1500光年)。

  所有年轻的OB星协都有着类似的高密度,它们都由质量特别大的母星云形成。然而,尽管这些系统有着极强的引力,但较年老的OB星协中,恒星却不是逐渐分散的,而是高速地冲向宇宙空间。天文学家之所以知道这一点,是因为从同一个成熟OB星协的、间隔仅几十年的两张图像就能看出,恒星间的距离变远了。

  这种快速扩散的原因之一是,这些恒星一开始就运动得很快。OB星协母星云的极端引力驱使着其中的恒星高速运动。年轻的OB星协里充满了高速运动的恒星,它们已经为母星云消散后逃出星团做好了准备。另外,在O型和B型恒星的短暂寿命中,它们会发出强烈的紫外辐射,把OB星协的母星云笼罩其中。和太阳一样,这些恒星也是由核聚变驱动,但它们燃烧得更迅猛得。例如,一颗典型O型恒星的质量是太阳的30倍,而它耗尽燃料只需要几百万年的时间。

  在这一自我牺牲的过程中,这些恒星会发出强劲的紫外辐射,后者会电离周围的气体——效果上等同于点着了母星云。猎户星云星团中,尘埃和气体正是在这一电离作用下发光。随着母星云烧尽,引力就会减小。当大质量恒星最终死去,且母星云也消散时,该系统的引力就无法再束缚质量较小的高速恒星,它们会飞一般地扬长而去。

  因此,T星协和OB星协最终都会解体,无论是通过慢慢的磨耗还是剧烈的骚动,结果都会这样。然而,银河系中,更为少见的第三类恒星集群却极其稳定。它们被称为疏散星团(相对于球状星团),拥有约1 000颗普通恒星,可以持续存在数亿年甚至数十亿年。而它们的星云和引力则早已消失。

  昴星团就是一个疏散星团。它的年龄为1.25亿年,其母星云在1.2亿多年前可能就已消散。在天空中,距离昴星团不远处是同样著名的毕星团,其年龄为6.3亿年。在银河系的外围还有几十个年龄甚至更大的疏散星团。由1 000颗恒星组成的疏散星团M67则形成于40亿年前。

  就算是疏散星团也不是不朽的,因为鲜有比M67年龄更大的疏散星团。天文学家相信,最终,当它们与其他星云近距离交会时,星云的引力会撕开并瓦解这些系统。不过,疏散星团仍有一个令人头痛的问题。在过去几十年里,科学家基本上弄清楚了,母星云消散是如何导致T和OB星协解体的,但是他们却无法回答,为什么疏散星团中的恒星能在母星云消散的情况下,仍维系在一起好几百万年。

  收缩与膨胀

  当撰写有关恒星形成的教科书时,我有充分的理由来思考星团的多样性。我把疏散星团的谜题视为是一系列更大问题的一部分:为什么银河系只存在有限种类的星团?星云是如何“决定”它要制造何种星团的?

  我考虑了在星团中起作用的各种机制。汇总到一起,我研究的这3类星团的生命阶段,都指向了两个相互对立的过程:由母星云引力导致的收缩,以及由恒星风和辐射电离所推动的膨胀。每一个可以孕育恒星的星云,都会在不同程度上遵从这两种相反的作用。在T星协和OB星协中,膨胀最终获胜。在疏散星团中,膨胀和收缩似乎处于平衡状态,至少在恒星形成的关键时期是如此。

  我推断,星云中各种力的平衡决定了它自己,以及它产生的星团的命运。而且我怀疑,这一平衡的关键也许就在于母星云的初始质量。正如我已经解释过的,星云的质量无疑决定了它的引力,星云的引力又决定了收缩的速率。另外,星云的质量还决定了它可产生的恒星的数量。例如,一个低质量的星云会收缩得较慢,密度缓慢升高,只形成少量的普通恒星。之后,这些恒星的恒星风会逐渐吹散该星云,将收缩的趋势逆转,释放恒星。这一过程与今天在T星协中观测到的相符。

  而在另一个极端,质量大一个量级的星云则会经历快速收缩,在小范围内形成许多新的恒星。最终,这些星云核心区域的密度会非常大,以至于只会形成少量的大质量恒星。之后,如我们在OB星协中所看到的,这些大质量恒星发出的强劲辐射会很快吹散该星云,其中高速运动的恒星则会向外运动。

  最终,似乎存在这样一种可能性:在质量适中的星云里,这两种效应会彼此平衡,这些星云收缩的速率和质量流失率相同。结果,这个星云会不断制造出紧密聚集的年轻恒星,但不会制造出大质量恒星。即便星风吹散了星云,相互靠近的恒星间的引力,也足以在很长的时间里束缚住彼此,正如疏散星团一样。

关键字: 恒星形成 恒星质量
责任编辑: 房小葵
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