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宇宙中的神秘球状星团
杨宁
现代天体物理学中一个最基本问题便是星系究竟是如何形成的？在我们生活的银河系中包含了约1000 亿颗恒星的大型星系,除了恒星之外还有大量的气体、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.但是,如此巨大的银河系只不过是可观测宇宙中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,但科学家们对这些形态各异的星系最初是如何产生并演化的,始终都没有取得清晰的认识.然而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.
特殊的恒星
如今科学家们终于在这个问题上取得了一些进展,由英国利物浦约翰摩尔斯大学的理查德·希文博士领衔的研究组对星系及其内部恒星的形成机制进行了阐述,这是因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,其成分中的氮丰度特别高,但这些位于银河系的银晕结构之中的恒星与现存球状星团中的那些恒星的性质又不同,显然这些恒星曾经属于某个球状星团,同时也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是：这两种机制中哪一种占有更加重要的位置？科学界认为恒星从来不会单独形成,所以婴儿期的恒星可能是成群出现的,不过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.而通常情况下分为两类星团,一类是存在于银盘盘面上的小质量年轻星团,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形成.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.可是这些模型无法重现我们在球状星团中观测到的一些细节,我们只知道,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——研究认为大部分球状星团在形成之后,就因与巨大分子云的碰撞而被踢出星系.而侥幸保存下来的球状星团( 银河系有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.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,而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.其中就包括采用了红外波段的“阿帕奇角天文台星系演化实验”(APOGEE) 巡天项目,让这个巡天项目显得与众不同,这种人类肉眼无法看到的波长较长的红外波段对观测很重要,因为银河系银盘面方向上存在着大量的尘埃.尘埃阻挡了可见光波段,使我们是难以观察银河系盘面的,但尘埃对红外波段的阻挡作用要低得多,因此A P O G E E 巡天计划能够穿透这些尘埃物质,这让科学家们能够更加精确地估算银河系内一些关键化学元素的丰度,另外还探测到隐藏在大量普通恒星中间的一些罕见恒星族,它们很容易被忽略过去.
这意味着什么？
而这些将会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,并将帮助科学家们可以修改关于球状星团形成机制的相关理论,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.或许这项研究更为深远的意义是,发现球状星团可能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部分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,但是一旦被证实后则将是一项重要进展,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.
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