聚集年輕恆星的疏散星團,為什麼更能揭示星體的演化過程?

2020-12-05 悟空科學

作者:石蘭(抄襲必究)

不會孤立形成的恆星,往往都呈現出成群分布的特徵,於是才有了由成千上萬顆恆星所構成的星團,它們通過引力作用束縛到一起,且具有相互聯繫的物理特性。科學家們根據星團的外在結構和恆星的年齡分布等特徵,將它們主要劃分為疏散星團和球狀星團。而位於疏散星團中的那些藍色恆星,大多數都比較年輕,同時還擁有相對較大的質量和極短的生命周期。眾所周知,恆星的演化過程一直都是科學家們最感興趣的研究領域之一,那麼,這些聚集了大量年輕恆星的疏散星團,為什麼更能揭示出星體所經歷的演化過程?

為何疏散星團更能揭示恆星的演化過程

就星團的生命周期而言,它們中的大多數都會在既定的時間裡分散開來,但我們卻可以在數億年的時間裡,觀察到這些年輕的恆星。而那些位於疏散星團中的年輕恆星,幾乎都是在同一個時間段裡誕生,彼此之間的距離也大致相同。並且,在更為年輕的疏散星團中,甚至還可能存在著分子雲的痕跡,它們會在星團輻射的作用下逐漸散開。因而,當我們在研究恆星質量和行為之間的關係時,疏散星團是最好的天體選擇之一。不管是相近的化學成分,還是誕生年齡,都讓我們更容易發現其進化過程中存在的微小差異。

在赫羅圖中,位於疏散星團中的絕大部分恆星都是主序星,科學家們可以從它們的質量得出偏離位置,從而分析出該星團的大致年齡。而這些年齡相近的恆星,同時也與我們所生活的地球保持著大致相同的距離,所以,它們的質量直接決定了其星等上存在的差異。當科學家們要對某個特定星團中的單個恆星進行比較的時候,由於它們所擁有的參數中很多都是固定的,所以能夠幫助了研究人員更好地了解恆星的演變過程。

或許你有所不知,星體中鋰和鈹的含量,不僅能夠體現出恆星的內部結構,更能揭示該恆星的生命演化,而這些位於疏散星團中的恆星,剛好就含有這兩種物質。儘管,只有當溫度達到一千萬K的時候,才能使得氫原子核發生聚變並產生氦。然而,當溫度保持在250萬到350萬K的時候,鋰和鈹這兩種物質便會不復存在。我們可以從這樣的現象中發現,恆星內部所含元素的混合程度,其實和該恆星本身所含元素密切相關,科學家們便是通過對恆星內部元素進行的研究,實現疏散星團中恆星構成和具體年齡的準確估算。

疏散星團和球狀星團存在哪些不同之處

事實上,疏散星團和球狀星團最明顯的區別,就體現在它們的外觀形態、恆星年齡和恆星的總數量這三個維度。常見於不規則星系、漩渦星系懸臂的疏散星團,一般都主要位於恆星形成更為活躍的位置,其恆星密度遠比球狀星團低;而球狀星團則更多地在星系暈中被發現,通常在星系的中心散布、並呈現出大致球形的分布特徵,並且,在較大的星系中往往存在著更多的球狀星團。

與此同時,那些位於球狀星團中的恆星,往往都具有更大的年齡(10到120億年),但那些在疏散星團中誕生的恆星,其年齡則小於幾億年。其次,就恆星數量而言,位於疏散星團中的恆星一般只有數千顆,並呈現出中心較為集中、周圍較為分散的分布特徵。而球狀星團中的恆星數量則達到了數十萬顆以上的規模,在這些具有低金屬特性的老年恆星周圍,幾乎沒有塵埃和氣體的存在,而老齡恆星的大量存在,也意味著這樣的高密度區域並不適合行星系統的發展。

在球狀星團中,許多恆星的一生都會被重力場所束縛,因而在速度向量這個維度上,其中的所有恆星都保持著平衡和穩定的活動趨勢,這個被科學家們稱為舒緩期的特殊時期,會因為星團中的恆星質量和數量而持續不同的時間長度;但質量相對更低的疏散星團卻特別地不穩定,位於星團中的恆星運行速度,甚至會超過該星團的逃逸速度,短短數百萬年的時間便會發生分散,而星團周圍的氣雲散盡,也只需要數千萬年的時間。

如何通過X射線輻射觀察疏散星團內部

在那些年輕的恆星和原恆星周圍,總是包圍著大量的氣體和塵埃,於是,這些物質中的一些便會附著在年輕的恆星上。由於恆星本身具有引力,這些掉落在星體上的粒子會被加速,並在之後的時間裡和恆星表面上的氣體發生碰撞,從而導致了X射線的產生,這便是為什麼X射線光譜可以為該類過程地發生提供有力證據。雖然,位於恆星圓盤中的諸多物質,都會被強烈的輻射能量帶離原來的位置,甚至是形成行星。但科學家們在對獵戶座星雲進行觀測的時候發現,其母星的X射線輻射也可能會對這樣的過程造成影響。

與我們地地球相距大約1800光年的獵戶座星雲,也是距離我們最近的一個擁有大型恆星形成的特殊區域。在錢德拉的圖像中,我們可以觀察到數千顆正在發射X射線的年輕恆星,它們就形成於恆星的電暈或數百萬度的高層大氣之中。雖然恆星日冕的X射線光度僅佔據了恆星光度的較小百分比,但恆星能量傳輸手段的重要指標,便是中心區域的核動力源向外傳輸能量這一方式。並且,當能量傳輸和旋轉發生相互作用的時候,還會因為對流而產生相互糾結的磁場,甚至會導致恆星的日冕或高層大氣被爆炸性的加熱,而年輕恆星所散發出的強烈X射線源,正是通過這樣的方式被觀察到。

科學家們對位於獵戶座星雲中的年輕類太陽恆星進行了深入的研究,發現此類恆星的X射線爆發(耀斑)頻率,明顯高於我們已有46億年歷史的太陽。而其中的某些恆星所產生的耀斑,甚至還能達到同類其他恆星的一百倍左右,但我們人類目前卻無法預計這樣爆發活動,會對行星的演化帶來多大程度的影響。但就現有的理論模型而言,那些位於年輕恆星周圍的行星盤,會因為較大的耀斑而產生強湍流,巖石類類地行星的形成位置,便可能會因為事件中所形成的湍流而被改變,並進一步導致它們無法向更加年輕的恆星附近進行遷移。

雖然,像太陽這樣的恆星可以發光數十億年,但其他更大的恆星所擁有的生命卻相對短暫,那些比太陽質量高出了幾十倍以上的恆星,會在短短數百萬年的時間裡走向超新星大災難。幾十萬年後,當巨大的恆星內層被暴露於強烈輻射環境中,會以每小時超過300萬英裡的速度推走氣體,這種高速的「星狀風」會導緻密集的殼形成。碰撞中所產生的向外移動的衝擊波,照亮了密實的外殼,而向內移動的衝擊波,則在產生X射線氣泡之後散發出氣體。事實上,對於那些巨大的恆星而言,恆星風便可以導致其質量損失一半、甚至更多。並且,這些由輻射所驅動的恆星風,還會導致周圍的氣體和塵埃雲中產生大氣泡,甚至觸發新一代恆星的形成,恆星演化的高能階段也因此有了新的見解。

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