球狀星團為什麼不會塌陷?

2021-01-20 星空天文

生命在於運動。

球狀星團M80（NGC 6093）。NASA / Hubble / STScI / AURA


球狀星團是一種奇怪的天體。它們由大量的老年恆星組成——數量平均在十萬左右，而且它們在最外緣圍繞星系運行，點綴在一個近似圓球形的空間中。我們迄今為止發現的銀河系球狀星團有幾百個——仙女座大星系，離我們最近的大星系，至少擁有60個。（我們可能難以辨別仙女座星系中的某些球狀星團，因為它們並不是最亮的天體，而且也比較小。）即使是個頭矮小的銀河系衛星系也擁有自己的球狀星團。


這些星團相當古老，而且古老程度超乎想像。球狀星團中的部分恆星已經老到可以幫助我們界定宇宙的年齡。（假如球狀星團的年齡接近130億歲，那宇宙就不可能比它年輕。）我們仍然不能確認這些球狀星團是在什麼樣的條件下產生的，也不知道是什麼原因使它們能夠倖存得這麼久。


銀河系周圍已知的球狀星團。NASA / ESA / A. Feild


我們能夠確認的一件事是它們的長壽緣於它們結構的穩定。它們不會因為自身的引力而塌陷，也正因如此，我們發現它們個個長得都十分相似。所以問題來了，是什麼原因讓它們在時間的長河裡一直保持這種不變的狀態？


在基礎層面上，我們可能會猜想，十萬顆恆星漂浮在空間裡，隨著時間的推移，引力足以使它們聚集在一起。部分恆星可能會倖存得久一些，但引力最終會把一切壓縮到星團的最中間。如果只有引力在起作用的話，那確實會發生這樣的事。


NCG 7006。ESA / Hubble / NASA


但恆星是在運動中的。一旦運動開始，它們就可以在一定的時間內抵消部分引力的作用。每顆恆星都在圍繞球狀星團的中心運行，恆星的運動和引力的共同作用，會使它們的運行軌道變成橢圓形，恆星由此能夠圍繞著星團中心運行很久。因為恆星擁有足夠多的能量來保持前進，引力的拖拽不會把恆星拉向星團的中心。


這是一個比較簡單的說法，因為星團中的10萬多顆恆星，每一顆都在做著同樣的事情，它們的軌道會相互影響，這也是星團呈現球形的原因。如果星團中恆星軌道的分布遵循了某種相同的規則，那星團就會被拉長，變成盤狀（就像我們從側面看到的旋渦星系那樣），而不會呈現完美的球形。橢圓星系也是這樣，雖然它包含的恆星數量要比球狀星團多得多，但構成它的恆星軌道都各自為政，因此星系的外觀也呈球形。在天文學上，如果天體內部恆星的排列方式是無序的，那我們就稱其為壓力維持；如果它會自轉，會變成圓盤狀，那我們就稱其為自轉維持。但在前一種情況下，並不存在一種實質性的壓力，由內而外地保持平衡，而是每一顆恆星都在各自的軌道上圍繞引力中心運動，以此對抗引力的拖拽。是運動，而非壓力，使其與引力達成了平衡。（請原諒天文學家吧，他們不擅長命名。）


M54是人類發現的首個河外球狀星團。它屬於人馬座矮星系，而非銀河系。M54註定會和銀河系發生碰撞。ESA / Hubble / NASA


球狀星團很古老，也很穩定，但並不意味著它們不會變化。這些恆星如果靠得足夠近，就會產生引力互動。星團中的恆星大小各異，因此相互作用的方式與它們的質量有關。如果兩顆恆星（最簡單的例子）質量相差無幾，只是一顆運動得較快，那速度快的就會把一部分能量轉移到較慢的恆星身上。通常當它們互相遠離時，兩者的運動速度就會趨於相近。（不管它們的運動方向是否相同。）如果兩者的質量差異很大，它們就會瓜分總能量，質量小的恆星運動速度會變快。由於動能等於質量乘以速度的平方——因此當能量總和相同時，質量越大速度就越慢，反之亦然。


所以隨著時間的推移，大質量恆星的運動速度會下降，而質量小的恆星運動速度會加快。恆星速度一旦下降，引力就佔上風，把它往下拖拽，使其越來越靠近星團中心。久而久之，變慢的大質量恆星都會跑到星團中心，而運動速度更快的小質量恆星會分布在外圍，使星團中的恆星由內而外呈現出按照質量從大到小層次化分布的特點。（專業術語叫「質量層化」。）


杜鵑座47是首批被觀測到產生了質量層化的球狀星團之一。它也是夜空中亮度位居第二的球狀星團。NASA / ESA / Hubble


另一種變化會在球狀星團過於靠近大質量星系時發生。每個球狀星團都在圍繞星系運行，而星系的質量通常要遠大於星團。星團圍繞星系公轉一次需要很久，但大多數可以成功完成這次旅行，不至於與星系靠得太近——然而一旦星團和星系過於接近，它就會被星系強大的潮汐力影響。潮汐力會把星團的最外層剝離（對一個質量層化的星團而言，它就會失去質量最小的那批恆星）。被剝離的恆星能夠形成長長的星流，但它們通常非常暗淡，很難觀測到。而剩下的就只有一個稠密的內核。銀河系內至少存在著四個這樣的星團。


球狀星團不會塌陷，可以想像，那些質量最大的恆星層化速度也最快，它們將導致星團中心出現中等質量的黑洞。另一方面，同樣由於質量層化，大質量恆星形成的黑洞會越來越小，黑洞會被過於頻繁地拋出星團。因此，雖然我們已經在部分球狀星團內發現了恆星級黑洞，但對於這些黑洞的質量上限是多大還沒有一致看法。


Jillian Scudder 文 / 老孫 譯

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