球状星团对星系形成的作用

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宇宙是怎么形成的？星系究竟是如何形成的？这些最基础的问题，却是我们一直没有弄清楚的。最近英国的科学家在星系的形成问题上有了突破。他们认为球状星团促进了恒星的大量形成，从而构成了星系。


　　我们生活在银河系中，这是一个包含了大约1000亿颗恒星的大型星系，除了恒星之外，银河系中还有大量的气体、尘埃以及巨量的暗物质，它们提供的引力让银河系聚合在一起


　　希文博士领衔的研究组发现了一组特殊的恒星，它们拥有不同寻常的化学成分，其成分中氮的丰度特别高。这些恒星很显然曾经属于某个球状星团，位于银河系的银晕结构之中
　　现在，一个由英国利物浦约翰摩尔斯大学的理查德·希文(Ricardo Schiavon)领衔的研究组对星系的形成问题上取得进展。
　　我们生活在银河系中，这是一个包含了大约1000亿颗恒星的大型星系，除了恒星之外，银河系中还有大量的气体、尘埃以及巨量的暗物质，它们提供的引力让银河系聚合在一起。但银河系尽管如此巨大，它只不过是可观测宇宙中另外上千亿个星系中普通的一个，所有这些星系有着不同的大小，各异的质量、形状和颜色。我们想要了解这些形态各异的星系最初是如何产生并演化的，但对于这个问题，科学家们始终没有取得清晰的认识。
　　比如说，星系形成的宇宙学模型无法给出我们今日所见恒星究竟如何形成的合理解释。但是了解星系的形成机制是非常重要的，如果没有星系形成机制的存在，宇宙中将不会出现恒星，也就不会有生命的存在。就在最近，科学家们终于在这个问题上取得了一些进展。本周一发表在英国著名学术杂志《皇家天文学会通报》上的一项研究对星系及其内部恒星的形成机制进行了阐述。
　　特殊的恒星
　　希文博士领衔的研究组发现了一组特殊的恒星，它们拥有不同寻常的化学成分，其成分中氮的丰度特别高。这些恒星很显然曾经属于某个球状星团，位于银河系的银晕结构之中。但这些恒星与现存球状星团中的那些恒星的性质又不同，这表明它们原本属于的那类球状星团已经不再存在了。
　　符合逻辑的结论是：在银河系历史的早期曾经存在数量非常庞大的球状星团，但是这类星团现在几乎已经被完全消灭了。除此之外，这些新发现恒星的性质表明它们与银河系的银晕结构，而不是银盘之间存在某种联系。如果情况的确如此，那么被摧毁的球状星团至少构成了构成银晕物质的1/4。
　　神秘的球状星团
　　天文学家们知道银河系中的一部分恒星是在银河系内部形成的，而还有一部分恒星则形成于银河系的卫星星系，之后被银河系吞噬进来。但我们至今不太清楚的一点是：这两种机制中哪一种占有更加重要的位置？
　　婴儿期的恒星一定是成群出现的，恒星从来不会单独形成，这是科学界的共识。恒星诞生之后常常会分离开，但也有一些恒星群体至今还保留着，它们就是我们见到的星团。一般情况下有两类星团，其中一类是年轻的小质量星团，它们一般存在于银盘盘面上；另一类则是质量巨大但年龄较老的星团，它们存在于银河系的银晕结构内。


　　球状新团是宇宙中引人瞩目的天体之一，这是密集分布的大量恒星的聚合体，它们通常都存在于星系的周围附近。图为M80球状星团，位于天蝎座
　　球状星团内只包含有银河系恒星的很少一部分，但天文学家们认为它们隐藏着有关星系早期形成的重要线索。但问题在于，我们对于球状星团如何形成也了解不多。现有的理论模型认为大部分的球状星团是在早期宇宙中狂暴的巨大分子云中塌缩聚合而形成的。科学家们认为球状星团内包含有属于不同世代的大量恒星——有些年老的恒星已经消亡，有些还在，还有一些更加年轻的恒星，它们是由已经死去的恒星爆炸播撒下的物质形成的。
　　然而，这些模型并无法重现我们在球状星团中观测到的一些细节。我们所确切知道的是，只有在宇宙早期的星系盘环境中，球状星团才能够大量形成。但讽刺的是，这些狂暴的星系盘对球状星团也并非友好的环境——研究认为绝大部分球状星团在形成之后很快就会由于与巨大分子云的碰撞而被踢出星系。
　　而那些侥幸保存下来的球状星团(在银河系内部大约有150个)则可能在此过程中丢失了大量恒星，甚至是它的大部分恒星。但如果情况的确如此，那么应该就有大量原本属于球状星团内部的恒星现在散落在银河系各处。关于这个问题的答案就隐藏在恒星本身之中：它们的位置、速度和化学成分都在述说着它们的身世。得益于近年来相关探测技术的发展，大型巡天计划正在采集银河系内数以亿计恒星的详细信息。
　　其中的一项巡天项目名为阿帕奇角天文台星系演化实验(APOGEE)。之所以让这个巡天项目显得与众不同，是因为它采用的是红外波段巡天，这是一种波长较长，我们人类的肉眼无法看到的辐射波段。这一点很重要，因为银河系银盘面方向上存在着大量的尘埃。对于可见光波段，由于尘埃的阻挡，我们是难以观察银河系盘面的。但在红外波段，尘埃的阻挡作用要低得多，因此APOGEE巡天计划便能够穿透这些尘埃物质并让我们得以窥见银河系更深处的景象。
　　这让科学家们首次能够更加精确地估算银河系内一些关键化学元素的丰度。另外他们还探测到了一些罕见的恒星族，它们隐藏在大量普通恒星中间，很容易被忽略过去。
　　这意味着什么？


　　宇宙中的所有化学元素，除了氢、氦和少量的锂之外，几乎都是在恒星内部形成的。当恒星死亡时，这些化学元素就被散布在宇宙中，新一代的恒星，行星乃至生命便从中诞生
　　如果得到确认，这将对现有的星系形成模型构成挑战。比如说，APOGEE巡天的结果将能够帮助判断银晕的哪一部分是在银河系内形成的。它还将迫使我们修改关于球状星团形成机制的相关理论，在此之前这些理论在解释我们观察到的恒星氮丰度方面遭遇到巨大困难。
　　但或许这项研究更为深远的意义还在于我们将会发现实际上球状星团是宇宙中最为典型而普遍存在的恒星新生区域。在过去的20年间，研究人员们已经对很多遥远的椭圆星系内部的一些恒星的平均化学成分进行了观测，它们被认为在成因上是与银晕中的恒星相似的。
　　但有趣的是，观测结果已经显示在那些星系内的恒星一般倾向于有更高的氮、钾丰度，而这正是科学家们在球状新团中所观测到的现象。或许球状星团确实为宇宙中所有星系的形成贡献了大量的恒星，而这一点或许是我们此前还没有意识到的。一旦证实，这将是一项重要进展，甚至将颠覆我们此前关于星系成因的基本认知，其中也包括我们所在的银河系。