http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2014-09-14
探秘恒星诞生地
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1500光年之外，由4颗大质量恒星和约2000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1000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1000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。
过去的理论
双星三人舞
星云收缩
我提出的作用平衡理论(force-balance theory)描述了，母星云的初始质量如何决定收缩和膨胀这两股力量间的相互作用，以及由此形成的星团是如何演化的。然而，尽管天文学家能直接观测到OB星协的膨胀和瓦解，但还没有人掌握星云是否发生过收缩的证据，星云收缩的方式是否和作用平衡理论所描述的一样，就更不知道了。这些收缩现象必定发生在星团形成的极早期，但问题是，最年轻的星团——内埋星团——是无法直接观测到的。我不得不想一个办法来证明，比较成熟的星团在很久之前曾经历过收缩阶段。
20世纪50年代末，美国加州理工学院的天文学家马腾•施密特(Maarten Schmidt)的研究给了我启发。施密特的观测发现，新恒星诞生的概率取决于周围气体的密度。因此我推测，如果母星云确实在过去发生过收缩，其密度就会升高，恒星形成也会加速。所以，我的理论假定，每个星团在遥远的过去都存在一个恒星加速形成的阶段。
为了检验这一预言，我首先要弄清楚，如何测量星团中恒星的形成速率。幸运的是，恒星演化理论提供了一条途径。这个理论描述了还没有开始消耗核燃料的年轻恒星——例如金牛T星——是如何随时间演化的。金牛T星的质量和亮度都与太阳相当，但它并不是因为核聚变而发光，它辐射出的是因自身引力而收缩所产生的热量。随着时间推移，其收缩的速率会放慢，而它们的表面温度则会持续上升。因此，随着它们的年龄增长，这些恒星会以可预见的方式变得越来越暗、越来越热。
如果你知道了一颗金牛T星的表面温度、亮度以及它与地球的距离，就能知道它已经收缩了多久——实际上，你就知道了它的年龄。我意识到，综合星团中所有这些恒星的年龄结构，可以揭示出该星团中恒星形成的历史——恒星是何时形成的，形成速率随着时间推移有着怎样的变化。
对于近距恒星集群，使用这一方法来研究并不困难，所需的数据绝大部分都易于获取。我和帕拉发现，所有仍持有丰富星云气体的恒星集群，其总的恒星形成率一直在随着时间上升。例如，我们在2000年公布的数据显示，在猎户星云星团的母星云消散前，有数百万年时间里，恒星形成率都在加速。这一发现让我相信，我的许多假设是正确的：所有能产生出星团的星云在其早期可能都存在过收缩的情况。
2007年，现在美国俄亥俄州立大学、当时还是研究生的埃里克•赫夫(Eric Huff)和我一起建立了一个有关猎户星云星团母星云的理论模型。我们的模型包括了作用平衡理论提出的收缩和膨胀作用。在根据这个模型进行的计算机模拟中，模拟出的星云正如我们所预言的那样发生了收缩。随后，通过施密特的观测和许多后续观测，我们推导出了一个命名为施密特-肯尼科特定律(Schmidt-Kennicutt law)的经验方法，来展示星云中部分区域密度的升高，是如何影响这部分区域的恒星形成率的。
我们的模型得出的结果是，恒星会加速形成，而我和帕拉根据猎户星云星团中恒星年龄所做的推断，也得到了类似的结果。这一额外的发现进一步确证了作用平衡理论的假设，即母星云会在星团演化的早期收缩。
星团膨胀
遗憾的是，我的方法能用来测量和模拟猎户星云星团中早期恒星的形成速率，但无法用到疏散星团身上，这些奇怪的恒星集群没有任何母星云的踪迹，却仍被引力维系在一起。星云收缩和恒星形成阶段仅持续几百万年，而绝大多数的疏散星团年龄太大，这个阶段相对于它们的总寿命而言仅是沧海一粟。辨别恒星年龄的工具则几乎达不到这样的分辨率。而且，我们也还无法模拟疏散星团的母星云——这些星云在极为遥远的过去就消散了，我们甚至无法猜测它们的质量和运转情况。到目前为止，即便是间接观测都无法触及疏散星团演化的早期阶段。
但是，使用一种名叫N体模拟(N-body simulations)的方法，可以构建模型，模拟母星云已经消失的疏散星团的演化过程。在这些模拟中，计算机会对复杂且纠缠在一起的方程组求解(这些方程描述了在相互引力作用下的多个天体的运动)。作用平衡理论提出了最初的产星收缩，而这一方法则阐明了在这之后，疏散星团中又发生了些什么，而且还让科学家对导致星团膨胀的机制有了全新的认识。
虽然疏散星团非常稳定，但它们并非永恒不变的。疏散星团中，恒星之间的相互引力会缓慢而持续地搅动星团，使得恒星之间彼此迂回曲折地运动，就像蜂房中的蜂群。N体模拟可以描述这一引力搅动所产生的恒星运动。这种模拟方法也十分高效，用一台标准的台式计算机就能模拟类似昴星团这样有着1200颗恒星的星团的演化。几年前，我和当时还是研究生、目前已在美国托莱多大学任职的约瑟夫•M•康弗斯(Joseph M. Converse)用这一方法再现了昴星团的历史。我们方法是，先猜测一个初始条件，然后让星团在此基础上演化1.25亿年。我们把模拟出的星团和实际情况的进行比较，然后修改初始条件，直到N体模拟能得到一个和真实星团一样的模拟星团。
我们看到的情形着实让我们吃惊不小。母星云散去以后，虽然昴星团看上去处于引力的掌控之下，但几乎一直在膨胀，恒星以持续稳定的步伐相互远离。而这一结果和先前的分析相左——先前的分析预测，疏散星团中的恒星会缓慢地分层，质量较大的聚集到内部，质量较小的则构成星团的外层。这一分层结构被称为动力学迟豫(dynamical relaxation)，是一个标准描述，描述了被引力束缚的星团如何随时间演化。例如，我们已经知到，球状星团就是以这种方式演化的。然而，就算我们让N体模拟运行至9亿年后的未来，它依然会继续膨胀。这让我们看到了10亿岁时，昴星团是何样子——它膨胀了，但依然完整。
这一发现说明，传统的分析忽略了主导星团演化的平衡机制中的一些关键因素。是什么驱动了疏散星团的均匀膨胀？我和康弗斯证明，其中的关键是双星：紧密地相互绕转的一对恒星，它们在星团中极为常见。现就职于英国爱丁堡大学的道格拉斯•赫吉(Douglas Heggie)在20世纪70年代中期所进行的模拟显示，当有第三颗恒星接近这样的双星时，这三者会上演一场复杂的“舞蹈”，之后，三者中质量最小的一个通常会被高速抛射出去。被抛射出的恒星很快就会遇到星团中其他的恒星，与它们分享自己的能量，增加它们的轨道速度，以此有效地“加热”星团。在我们的N体模拟中，正是来自这些双星的能量，使得疏散星团发生了膨胀——尽管这一膨胀很缓慢，不易被天文学家注意到。
犹存的谜题
我提出星云初始质量决定了星团结构及其演化之后，我对星团的研究则为这种说法提供了一些证据。这一工作还为未来的研究指明了有前景的方向。例如，天文学家应该想办法来观测，我的研究所预言的疏散星团的均匀膨胀。
不过，我的发现也显示，许多有关星团的事情我们至今仍不了解。尽管计算机模拟取得了进展，但我们依然无法建立模型，去模拟母星云中特定区域是如何变稠密，进而形成恒星的。几十年的射电和红外观测，也没有揭示出这些星云内部运动的模式。恒星集群的出生阶段——位于浓密尘埃中的内埋星团阶段——仍隐匿未知。
然而，我和同事所创建的作用平衡模型能帮助我们搞清楚，恒星集群的出生阶段和星团演化的其他方面的更多细节。通过综合分析研究和N体模拟，我们希望证明，一个质量流失率和收缩率相等的星云，确实会产出一个类似疏散星团那样的引力束缚系统。我们还希望通过建模来研究，初生的T星协是如何逆转星云收缩，然后散入太空的。例如，星风真的起到了天文学家所认为的关键作用吗？
这一研究的影响将远超星团的范畴。虽然对银河系中恒星集群的研究长期停滞不前，但它很快就将成为其他研究的中心。例如，一些天文学家相信，太阳就形成于一个拥挤的OB星协中，正是近距离的恒星对太阳周围气体和尘埃盘的扰动，塑造了我们的太阳系。而孕育了星团的星云也在星际介质和星系整体演化中扮演了重要角色。因此，要想弄清楚太阳系的诞生以及所有其他天体的过去和未来，关键线索可能就藏在星团之中。
精彩速览
恒星在星团中形成，而星团则包裹在气体与尘埃混合而成的星云中。
在银河系中可以看到三种类型的星团，它们具有不同的结构和演化历史。
孕育星团的母星云的初始质量可能是产生这些差异的原因，母星云的初始质量会影响星团内部引力收缩与扩张的平衡。
母星云散去后，留下的就是星团里的恒星集群。
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