探秘恒星诞生地恒星为什么都是集群形成

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本文作者：今日头条


探秘恒星诞生地：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。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o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—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，一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。

恒星诞生地

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一—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。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，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。恒星分布最稀疏的那种星团叫做T星协，因为它主要由最常见的年轻恒星——金牛1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500万年一—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。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一一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（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j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_是，这些恒星一开始就运动得很陕。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。

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l1000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。

星团膨胀

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l 200颗恒星的星团的演化。

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，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，我们已经知道，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—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？其中的关键是双星：紧密地相互绕转的—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—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一—尽管这—膨胀很缓慢，不易被天文学家注意到。

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木红馨

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