宇宙星光燦爛，恒星從何而來？

　　《自然》1月28日線上發表論文，展現我國科學家在研究星團中恒星星族形成模式的課題中取得的重大突破。這是一個什麼樣的發現？《經濟日報》記者採訪了相關研究團隊。

　　恒星從何而來

　　論文的領銜作者李程遠在完成此項工作時，是北京大學和中國科學院國家天文臺聯合培養的博士研究生，現任中國科學院紫金山天文臺研究員。

　　在跟記者解釋他的研究成果前，李程遠先講述了恒星的來歷：“一開始，空間中沒有恒星，只有氣體雲，恒星實際上是從廣袤的氣體雲中坍塌形成的。”

　　要形成恒星，必須有氣體。在一團很大的氣體雲中，先扎堆形成一大批恒星，組成星團。其中有一些大品質恒星，品質是太陽的幾十倍到上百倍。這些超大恒星壽命特別短，不會超過一千萬年，一般只有幾百萬年，它們臨終時變成超新星爆發，發出強光。

　　一顆超新星在爆發那一刻，其物質朝外的噴射速度可以達到3萬公里每秒，是光速的十分之一。這個猛烈爆炸的能量傳遞到周邊的氣體雲時，會産生強大的激波，再一次將氣體雲加速到幾百甚至上千公里每秒。在不到一千萬年的時間內，星團中所有的殘余氣體就會被一掃而光。

　　在大品質恒星完成超新星爆發後，星團中本來擁有的大片的氣體雲很快就會被吹走，從而造成一個巨大的沒有氣體的空洞，將星團的主體部分暴露在天文學家的視野中。當天文學家們觀測年齡大於一千萬年的星團時，他們看到的星團是不包含任何氣體的。

　　“星團中沒有氣體，就不可能形成新恒星了。所以天文學家認為，星團中的恒星，年齡非常接近。都要在第一顆超新星爆發之前的幾百萬年間誕生。”李程遠説。

　　現在我們觀測到的絕大多數有規模的星團，其年齡都在數十億年以上，一千萬年對它們來説就像一瞬間，因此，就如同一個班的同學基本都是同年出生的一樣，天文學家們相信，星團中的恒星，其年齡成分也是單一的。

　　然而，近年的高解析度觀測發現了銀河系的球狀星團普遍包含兩個或更多恒星星族，這使得天文學家們對星團中恒星形成的理論産生了懷疑。

　　“觀測發現，大星團的恒星年齡並不是那麼一致，甚至有幾十億年或者幾億年的差距。這遠遠超過超新星爆發所允許的時間差。”李程遠解釋説。

　　氣體在星團形成的最初幾千萬年就被吹走了，接下來幾億年裏形成恒星的氣體又是從哪來的呢？

　　星團中恒星如何形成的一直是現代天體物理的焦點問題之一。遺憾的是，由於銀河系中的球狀星團都十分年老，漫長的演化過程使得這些多重星族早已失去其形成初期的動力學特徵。儘管天文學家觀測到了多星族現象，但對於球狀星團該如何産生第二族及以後的恒星、它們如何演化等問題，一直缺乏觀測證據和理論上的詮釋。

　　李程遠與他的兩位導師——國家天文臺研究員鄧李才、北京大學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）開始了對這個問題的挑戰。他們意識到，在更為年輕的大品質星團中搜尋證據可能是解決問題的關鍵鑰匙。他們共同設計了一項計劃，利用美國哈勃太空望遠鏡的觀測數據，開展了歷時一年的仔細研究。

　　搜遍星團內外

　　星團中的年輕星族從哪來？

　　有多種可能。比如星團足夠大，氣體還沒來得及逃出去就被引力拉回來，形成下一代恒星。這要求星團的品質是現在觀測到的星團品質的百倍以上，是太陽品質的上百萬到上千萬倍。但天文學家們在觀測中從未見過這麼大的年輕星團。

　　由於銀河系的星團普遍比較老，證據不易尋找，李程遠把目光投向了銀河系外的星團。他對3個河外星團進行了研究，它們的品質分別是3.2萬個、5萬個、18萬個太陽品質，這個品質不足以抵抗超新星爆發的氣體逃逸，卻都形成了第二批恒星，有一個甚至還有第三批恒星。

　　“2014年冬天，當我分析係外星團NGC1783的數據時，我發現了兩支年齡幾乎單一的恒星星族。”李程遠介紹説，“屬於同一個分支的恒星，他們的年齡幾乎完全相同，就像是在過去的一瞬間突然形成的。我立刻意識到，我們大概發現中年星團中的第二代恒星了。”

　　通過動力學分析，李程遠發現這些新的恒星實際上是星團從外部吸收形成的。

　　“我們要比較它們的運動與星團大部分恒星的運動是否一致。如果一致，説明起源相同。我們發現它們的運動特質不一樣，説明它們的起源不同。”李程遠説，年輕星族的運動特性跟一代星族不同，它們很可能是外部來的，“年輕的恒星傾向於分佈在星團週邊。如果是自己氣體産生的話，根據計算應該靠星團內部，但我們看到的分佈不一樣。這3個星團，包含的4支新的恒星族，都分佈在星團週邊”。

　　長期以來，天文學家們都認為星團是通過自身第一代恒星爆炸之後殘留的氣體來形成第二代恒星的。而研究團隊最終推斷：星團中年輕的恒星星族很可能是外來物質的産物，是星團圍繞星系旋轉過程中，偶遇到大片的雲，只要條件合適，就可以從中抓到氣體，使之形成恒星。“它們不是最初的雲形成的，是遇到外來雲形成的。”李程遠説。

　　“這些恒星像是寄生在星團中的新成員。”鄧李才解釋説：“現在主流的解釋是星團中的新恒星源自內部物質迴圈，但似乎並不自洽。”

　　理查德回憶説：“我們提出了很多傳統框架下的模型，但最終都被一一排除了。科學研究就是這樣，新的認知在達成前總會走很多彎路。”

　　星團中不止有同一批次的“土著”，也有不同批次的“外來戶”。對於這一發現，《自然》雜誌的審稿專家們評價説：“2015年夏天夏威夷的國際天文聯合會上，人們還在為球狀星團的多星族問題爭執不休，這一結果來得真是恰到好處！這一工作為星團研究打開了一扇全新的窗口！”

　　研究團隊的成員除了李程遠和他的兩位導師外，還包括為該項工作作出貢獻的國家天文臺研究人員新宇和胡義。該文合作者還有美國西北大學的天文學家。國家天文臺臺長嚴俊説：“該合作團隊長期專注于星團物理研究，不僅利用歸檔數據連續取得了高顯示度成果，還在設備發展和實測研究中卓有建樹。”

　　名詞解釋

　　星 團

　　是包含多個恒星體的不穩定引力系統，是恒星的搖籃。幾乎所有的恒星，最初都是在星團中形成的。絕大部分星團隨著時間的演化，包含的恒星會逐漸擴散到它所處的星系場中，成為場星。例如，太陽就是場星。