華裔小哥新發現球狀星團被撕慘狀
2020-08-08 牧夫天文
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原作：Marcus Strom
翻譯：李遠飛
校譯：王延昕
編排：關關
後臺：庫特莉亞芙卡 李子琦
原文連結：
https://www.sydney.edu.au/news-opinion/news/2020/07/30/stars-that-time-forgot-phoenix-stream-globular-cluster-metallicity.html
藝術家構思圖：（左）從鳳凰座球狀星團中被撕裂出來的稀薄恆星流正圍繞著銀河系。（右）天文學家們用明亮的紅巨星來測量原本鳳凰座球狀星團的化學結構。
圖源：James Josephides / Swinburne Astronomy
作為S5國際天文合作的一部分，一項由雪梨大學博士生Zhen Wan和他的博士生導師Geraint Lewi領導的研究項目發現了一個位於銀河系邊緣被撕裂的球狀星團殘留恆星流，這是一種消失已久的古老天體遺蹟，它的前身在二十多億年前被我們的銀河系所撕裂。這篇研究論文於2020年7月29日被發表於《自然》雜誌網站上。
這次「被撕裂球狀星團」的非凡發現很令人驚訝，因為本次銀河系考古所發現的恆星比其他球狀星團裡的恆星化學成分中金屬元素含量有顯著減少。這些證據有力地表明它原本的天體是該類別中的最後一員，一種和現存球狀星團誕生及演化過程都不一樣的球狀星團。
我們的銀河系中有大約150個球狀星團，每一個都是由數百萬計的恆星組成的球狀集合，在恆星暈中繞著銀河系中心運行。這些古老的球狀星團目睹了百億年間銀河系的成長。
主要負責本次研究的華裔小哥，雪梨大學博士生Zhen Wan會心一笑
Zhen Wan 說：「一旦我們知道了哪些恆星屬於這道恆星流，我們就測量這些恆星裡比氫和氦更重的元素的豐度，天文學家們管這叫金屬豐度。當發現鳳凰座恆星流有很低的金屬豐度時我們都很驚訝，因為這使得它和銀河系裡所有其他球狀星團都完全不同。儘管這個星團在幾十億年前就已經毀滅，我們還是可以從其恆星成分中判斷出來它曾在宇宙早期形成。」
研究中Zhen Wan和他的博導Geraint Lewis教授使用英澳望遠鏡測量鳳凰座中恆星流的速度。英澳望遠鏡（Anglo - Australian Telescope， AAT）架設在澳大利亞新南威爾斯州內陸的賽丁泉天文臺內，這臺望遠鏡口徑3.9米，配置兩度視場設備（2df），通過光纖定位器可以在2°的視場內選擇400個天體同時進行光譜觀測。
整個研究由智利、美國 、英國和澳大利亞天文學家共同合作，是S5國際合作項目的一部分。S5的全稱是Southern Stellar Streams Spectroscopic Survey ——南天區恆星流光譜巡天。這是一項國際合作的光譜調查項目，S5目的是繪製南半球天區恆星流的運動和化學圖譜。巡天最初的重點是在暗能量巡天(DES)的數據中識別恆星流，但其最終目標是測量整個南方天空。
上圖右側顯示正常星團樣貌，而左側可以看到鳳凰座的球狀星團已經被撕得不成「球」樣了。這次發現也確認了之前一個純理論的預言：銀河系裡含有宇宙早期形成的極度缺乏金屬元素的星團殘骸。
圖片來源：Robert Gendler/SPL
在Big Bang大爆炸之後，宇宙裡幾乎只有大量的氫和氦兩種元素。這兩種元素組成了第一代恆星，而像鈣、氧、磷這些組成了人類骨頭的更重的元素則是在更晚的幾代恆星中才生成的。
對其他球狀星團的觀測已經發現，星團中的恆星富含了早期恆星所生成的金屬元素。現在主流的形成理論認為這種與早期恆星的相關性意味著所有的球狀星團都應當含有一部分的重金屬，且含量有一個最低的金屬豐度下限。若恆星的金屬豐度低於這個下限就應形成不了球狀星團。
銀河系內137個球狀星團金屬豐度[Fe/H，鐵氫比]的分布柱狀圖。鳳凰座恆星流的金屬豐度為-2.7, 遠低於已知球狀星團金屬豐度下限。
但是鳳凰座恆星流前身星團的金屬豐度遠遠低於這個門檻，這挑戰了我們一直以來對球狀星團起源的認知。
「根據我們原本的理解，鳳凰座恆星流來自於一個本不應存在的星團。」 這篇論文的作者之一、麥考瑞大學副教授Daniel Zucker說道。
S5項目的發起人，在卡耐基天文臺工作的李婷博士說： 「一個可行的解釋是，鳳凰座恆星流的前身星團是某個星團類別中殘存的最後一員。與現在我們所見到的球狀星團比起來，這種星團誕生的環境迥然不同，這造成了它們金屬豐度上的差異。」
雖然在此之前可能成員眾多，但這種星團逐漸被銀河系的引力扯成碎片，脫離星團引力束縛的恆星被吸收到星系主體裡，使得其數目漸漸減少。這意味著現在我們看到的恆星流是一個相對來說暫時的現象，假以時日也終將會消散。
值得慶幸的是，「我們在它消散於銀暈中之前發現了這個星團的遺蹟。 「 Wan同學說道。
迄今為止，天文學家還尚未對鳳凰座恆星流前身星團的起源作出一個確鑿的解釋，這種星團在星系演化中扮演的角色也仍不明了。
Lewis教授說：「這方面還有很多理論工作要做。現在我們有很多關於星系和球狀星團如何誕生的新問題亟待探索，而它們都令人興奮！」
鳳凰座恆星流是獨特的嗎？「在天文學研究裡，當我們發現了一類新的天體時，一般都意味著宇宙裡還有很多這樣的天體。」論文作者之一，新南威爾斯大學的Jeffrey Simpson博士說。「像鳳凰座恆星流前身那樣的球狀星團可能不復存在了，但是他們的遺蹟可能還以暗淡恆星流的形式存留著。」
李婷博士表示：「接下來的問題是，宇宙裡是否還有更多這樣的古老遺蹟，一種不再存在的天體的遺蹟。找到更多這樣的恆星流將會給我們帶來關於宇宙早期事件的全新視野。這是我們幾乎沒有探索過的一個領域。這是一個令人振奮的時刻。」
責任編輯：王延昕
牧夫新媒體編輯部
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