宇宙星光燦爛，恒星從何而來(lái)？

　　《自然》1月28日在線發(fā)表論文，展現(xiàn)我國(guó)科學(xué)家在研究星團(tuán)中恒星星族形成模式的課題中取得的重大突破。這是一個(gè)什么樣的發(fā)現(xiàn)？《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》記者采訪了相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)。

　　恒星從何而來(lái)

　　論文的領(lǐng)銜作者李程遠(yuǎn)在完成此項(xiàng)工作時(shí)，是北京大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生，現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員。

　　在跟記者解釋他的研究成果前，李程遠(yuǎn)先講述了恒星的來(lái)歷：“一開(kāi)始，空間中沒(méi)有恒星，只有氣體云，恒星實(shí)際上是從廣袤的氣體云中坍塌形成的?！?/p>

　　要形成恒星，必須有氣體。在一團(tuán)很大的氣體云中，先扎堆形成一大批恒星，組成星團(tuán)。其中有一些大質(zhì)量恒星，質(zhì)量是太陽(yáng)的幾十倍到上百倍。這些超大恒星壽命特別短，不會(huì)超過(guò)一千萬(wàn)年，一般只有幾百萬(wàn)年，它們臨終時(shí)變成超新星爆發(fā)，發(fā)出強(qiáng)光。

　　一顆超新星在爆發(fā)那一刻，其物質(zhì)朝外的噴射速度可以達(dá)到3萬(wàn)公里每秒，是光速的十分之一。這個(gè)猛烈爆炸的能量傳遞到周邊的氣體云時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的激波，再一次將氣體云加速到幾百甚至上千公里每秒。在不到一千萬(wàn)年的時(shí)間內(nèi)，星團(tuán)中所有的殘余氣體就會(huì)被一掃而光。

　　在大質(zhì)量恒星完成超新星爆發(fā)后，星團(tuán)中本來(lái)?yè)碛械拇笃臍怏w云很快就會(huì)被吹走，從而造成一個(gè)巨大的沒(méi)有氣體的空洞，將星團(tuán)的主體部分暴露在天文學(xué)家的視野中。當(dāng)天文學(xué)家們觀測(cè)年齡大于一千萬(wàn)年的星團(tuán)時(shí)，他們看到的星團(tuán)是不包含任何氣體的。

　　“星團(tuán)中沒(méi)有氣體，就不可能形成新恒星了。所以天文學(xué)家認(rèn)為，星團(tuán)中的恒星，年齡非常接近。都要在第一顆超新星爆發(fā)之前的幾百萬(wàn)年間誕生。”李程遠(yuǎn)說(shuō)。

　　現(xiàn)在我們觀測(cè)到的絕大多數(shù)有規(guī)模的星團(tuán)，其年齡都在數(shù)十億年以上，一千萬(wàn)年對(duì)它們來(lái)說(shuō)就像一瞬間，因此，就如同一個(gè)班的同學(xué)基本都是同年出生的一樣，天文學(xué)家們相信，星團(tuán)中的恒星，其年齡成分也是單一的。

　　然而，近年的高分辨率觀測(cè)發(fā)現(xiàn)了銀河系的球狀星團(tuán)普遍包含兩個(gè)或更多恒星星族，這使得天文學(xué)家們對(duì)星團(tuán)中恒星形成的理論產(chǎn)生了懷疑。

　　“觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，大星團(tuán)的恒星年齡并不是那么一致，甚至有幾十億年或者幾億年的差距。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)超新星爆發(fā)所允許的時(shí)間差?！崩畛踢h(yuǎn)解釋說(shuō)。

　　氣體在星團(tuán)形成的最初幾千萬(wàn)年就被吹走了，接下來(lái)幾億年里形成恒星的氣體又是從哪里來(lái)的呢？

　　星團(tuán)中恒星如何形成的一直是現(xiàn)代天體物理的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。遺憾的是，由于銀河系中的球狀星團(tuán)都十分年老，漫長(zhǎng)的演化過(guò)程使得這些多重星族早已失去其形成初期的動(dòng)力學(xué)特征。盡管天文學(xué)家觀測(cè)到了多星族現(xiàn)象，但對(duì)于球狀星團(tuán)該如何產(chǎn)生第二族及以后的恒星、它們?nèi)绾窝莼葐?wèn)題，一直缺乏觀測(cè)證據(jù)和理論上的詮釋。

　　李程遠(yuǎn)與他的兩位導(dǎo)師——國(guó)家天文臺(tái)研究員鄧?yán)畈拧⒈本┐髮W(xué)科維理天文和天體物理研究所教授理查德？德？何銳思（Richard de Grijs）開(kāi)始了對(duì)這個(gè)問(wèn)題的挑戰(zhàn)。他們意識(shí)到，在更為年輕的大質(zhì)量星團(tuán)中搜尋證據(jù)可能是解決問(wèn)題的關(guān)鍵鑰匙。他們共同設(shè)計(jì)了一項(xiàng)計(jì)劃，利用美國(guó)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)展了歷時(shí)一年的仔細(xì)研究。

　　搜遍星團(tuán)內(nèi)外

　　星團(tuán)中的年輕星族從哪里來(lái)？

　　有多種可能。比如星團(tuán)足夠大，氣體還沒(méi)來(lái)得及逃出去就被引力拉回來(lái)，形成下一代恒星。這要求星團(tuán)的質(zhì)量是現(xiàn)在觀測(cè)到的星團(tuán)質(zhì)量的百倍以上，是太陽(yáng)質(zhì)量的上百萬(wàn)到上千萬(wàn)倍。但天文學(xué)家們?cè)谟^測(cè)中從未見(jiàn)過(guò)這么大的年輕星團(tuán)。

　　由于銀河系的星團(tuán)普遍比較老，證據(jù)不易尋找，李程遠(yuǎn)把目光投向了銀河系外的星團(tuán)。他對(duì)3個(gè)河外星團(tuán)進(jìn)行了研究，它們的質(zhì)量分別是3.2萬(wàn)個(gè)、5萬(wàn)個(gè)、18萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，這個(gè)質(zhì)量不足以抵抗超新星爆發(fā)的氣體逃逸，卻都形成了第二批恒星，有一個(gè)甚至還有第三批恒星。

　　“2014年冬天，當(dāng)我分析系外星團(tuán)NGC1783的數(shù)據(jù)時(shí)，我發(fā)現(xiàn)了兩支年齡幾乎單一的恒星星族?！崩畛踢h(yuǎn)介紹說(shuō)，“屬于同一個(gè)分支的恒星，他們的年齡幾乎完全相同，就像是在過(guò)去的一瞬間突然形成的。我立刻意識(shí)到，我們大概發(fā)現(xiàn)中年星團(tuán)中的第二代恒星了?！?/p>

　　通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析，李程遠(yuǎn)發(fā)現(xiàn)這些新的恒星實(shí)際上是星團(tuán)從外部吸收形成的。

　　“我們要比較它們的運(yùn)動(dòng)與星團(tuán)大部分恒星的運(yùn)動(dòng)是否一致。如果一致，說(shuō)明起源相同。我們發(fā)現(xiàn)它們的運(yùn)動(dòng)特質(zhì)不一樣，說(shuō)明它們的起源不同?！崩畛踢h(yuǎn)說(shuō)，年輕星族的運(yùn)動(dòng)特性跟一代星族不同，它們很可能是外部來(lái)的，“年輕的恒星傾向于分布在星團(tuán)外圍。如果是自己氣體產(chǎn)生的話，根據(jù)計(jì)算應(yīng)該靠星團(tuán)內(nèi)部，但我們看到的分布不一樣。這3個(gè)星團(tuán)，包含的4支新的恒星族，都分布在星團(tuán)外圍”。

　　長(zhǎng)期以來(lái)，天文學(xué)家們都認(rèn)為星團(tuán)是通過(guò)自身第一代恒星爆炸之后殘留的氣體來(lái)形成第二代恒星的。而研究團(tuán)隊(duì)最終推斷：星團(tuán)中年輕的恒星星族很可能是外來(lái)物質(zhì)的產(chǎn)物，是星團(tuán)圍繞星系旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，偶遇到大片的云，只要條件合適，就可以從中抓到氣體，使之形成恒星。“它們不是最初的云形成的，是遇到外來(lái)云形成的。”李程遠(yuǎn)說(shuō)。

　　“這些恒星像是寄生在星團(tuán)中的新成員?！编?yán)畈沤忉屨f(shuō)：“現(xiàn)在主流的解釋是星團(tuán)中的新恒星源自?xún)?nèi)部物質(zhì)循環(huán)，但似乎并不自洽?！?/p>

　　理查德回憶說(shuō)：“我們提出了很多傳統(tǒng)框架下的模型，但最終都被一一排除了?？茖W(xué)研究就是這樣，新的認(rèn)知在達(dá)成前總會(huì)走很多彎路?！?/p>

　　星團(tuán)中不止有同一批次的“土著”，也有不同批次的“外來(lái)戶(hù)”。對(duì)于這一發(fā)現(xiàn)，《自然》雜志的審稿專(zhuān)家們?cè)u(píng)價(jià)說(shuō)：“2015年夏天夏威夷的國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)上，人們還在為球狀星團(tuán)的多星族問(wèn)題爭(zhēng)執(zhí)不休，這一結(jié)果來(lái)得真是恰到好處！這一工作為星團(tuán)研究打開(kāi)了一扇全新的窗口！”

　　研究團(tuán)隊(duì)的成員除了李程遠(yuǎn)和他的兩位導(dǎo)師外，還包括為該項(xiàng)工作作出貢獻(xiàn)的國(guó)家天文臺(tái)研究人員新宇和胡義。該文合作者還有美國(guó)西北大學(xué)的天文學(xué)家。國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)嚴(yán)俊說(shuō)：“該合作團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期專(zhuān)注于星團(tuán)物理研究，不僅利用歸檔數(shù)據(jù)連續(xù)取得了高顯示度成果，還在設(shè)備發(fā)展和實(shí)測(cè)研究中卓有建樹(shù)。”

　　名詞解釋

　　星 團(tuán)

　　是包含多個(gè)恒星體的不穩(wěn)定引力系統(tǒng)，是恒星的搖籃。幾乎所有的恒星，最初都是在星團(tuán)中形成的。絕大部分星團(tuán)隨著時(shí)間的演化，包含的恒星會(huì)逐漸擴(kuò)散到它所處的星系場(chǎng)中，成為場(chǎng)星。例如，太陽(yáng)就是場(chǎng)星。