星系是如何形成的?球狀星團貢獻大量恆星
2021-01-20 宇宙探索未解之謎據國外媒體報導，現代天體物理學中一個最基本問題便是星系究竟是如何形成的？現在，一個由英國利物浦約翰摩爾斯大學的理察·希文(Ricardo Schiavon)領銜的研究組正在這個問題上取得進展。
希文博士領銜的研究組發現了一組特殊的恆星，它們擁有不同尋常的化學成分，其成分中氮的豐度特別高。這些恆星很顯然曾經屬於某個球狀星團，位於銀河系的銀暈結構之中。
我們生活在銀河系中，這是一個包含了大約1000億顆恆星的大型星系，除了恆星之外，銀河系中還有大量的氣體、塵埃以及巨量的暗物質，它們提供的引力讓銀河系聚合在一起。但銀河系儘管如此巨大，它只不過是可觀測宇宙中另外上千億個星系中普通的一個，所有這些星系有著不同的大小，各異的質量、形狀和顏色。我們想要了解這些形態各異的星系最初是如何產生並演化的，但對於這個問題，科學家們始終沒有取得清晰的認識。
比如說，星系形成的宇宙學模型無法給出我們今日所見恆星究竟如何形成的合理解釋。但是了解星系的形成機制是非常重要的，如果沒有星系形成機制的存在，宇宙中將不會出現恆星，也就不會有生命的存在。就在最近，科學家們終於在這個問題上取得了一些進展。本周一發表在英國著名學術雜誌《皇家天文學會通報》上的一項研究對星系及其內部恆星的形成機制進行了闡述。
特殊的恆星
希文博士領銜的研究組發現了一組特殊的恆星，它們擁有不同尋常的化學成分，其成分中氮的豐度特別高。這些恆星很顯然曾經屬於某個球狀星團，位於銀河系的銀暈結構之中。但這些恆星與現存球狀星團中的那些恆星的性質又不同，這表明它們原本屬於的那類球狀星團已經不再存在了。
符合邏輯的結論是：在銀河系歷史的早期曾經存在數量非常龐大的球狀星團，但是這類星團現在幾乎已經被完全消滅了。除此之外，這些新發現恆星的性質表明它們與銀河系的銀暈結構，而不是銀盤之間存在某種聯繫。如果情況的確如此，那麼被摧毀的球狀星團至少構成了構成銀暈物質的1/4。
神秘的球狀星團
天文學家們知道銀河系中的一部分恆星是在銀河系內部形成的，而還有一部分恆星則形成於銀河系的衛星星系，之後被銀河系吞噬進來。但我們至今不太清楚的一點是：這兩種機制中哪一種佔有更加重要的位置？
嬰兒期的恆星一定是成群出現的，恆星從來不會單獨形成，這是科學界的共識。恆星誕生之後常常會分離開，但也有一些恆星群體至今還保留著，它們就是我們見到的星團。一般情況下有兩類星團，其中一類是年輕的小質量星團，它們一般存在於銀盤盤面上；另一類則是質量巨大但年齡較老的星團，它們存在於銀河系的銀暈結構內。
球狀新團是宇宙中引人矚目的天體之一，這是密集分布的大量恆星的聚合體，它們通常都存在於星系的周圍附近。圖為M80球狀星團，位於天蠍座。
球狀星團內只包含有銀河系恆星的很少一部分，但天文學家們認為它們隱藏著有關星系早期形成的重要線索。但問題在於，我們對於球狀星團如何形成也了解不多。現有的理論模型認為大部分的球狀星團是在早期宇宙中狂暴的巨大分子雲中塌縮聚合而形成的。科學家們認為球狀星團內包含有屬於不同世代的大量恆星——有些年老的恆星已經消亡，有些還在，還有一些更加年輕的恆星，它們是由已經死去的恆星爆炸播撒下的物質形成的。
然而，這些模型並無法重現我們在球狀星團中觀測到的一些細節。我們所確切知道的是，只有在宇宙早期的星系盤環境中，球狀星團才能夠大量形成。但諷刺的是，這些狂暴的星系盤對球狀星團也並非友好的環境——研究認為絕大部分球狀星團在形成之後很快就會由於與巨大分子雲的碰撞而被踢出星系。
而那些僥倖保存下來的球狀星團(在銀河系內部大約有150個)則可能在此過程中丟失了大量恆星，甚至是它的大部分恆星。但如果情況的確如此，那麼應該就有大量原本屬於球狀星團內部的恆星現在散落在銀河系各處。關於這個問題的答案就隱藏在恆星本身之中：它們的位置、速度和化學成分都在述說著它們的身世。得益於近年來相關探測技術的發展，大型巡天計劃正在採集銀河系內數以億計恆星的詳細信息。
其中的一項巡天項目名為「阿帕奇角天文臺星系演化實驗」(APOGEE)。之所以讓這個巡天項目顯得與眾不同，是因為它採用的是紅外波段巡天，這是一種波長較長，我們人類的肉眼無法看到的輻射波段。這一點很重要，因為銀河系銀盤面方向上存在著大量的塵埃。對於可見光波段，由於塵埃的阻擋，我們是難以觀察銀河系盤面的。但在紅外波段，塵埃的阻擋作用要低得多，因此APOGEE巡天計劃便能夠穿透這些塵埃物質並讓我們得以窺見銀河系更深處的景象。
這讓科學家們首次能夠更加精確地估算銀河系內一些關鍵化學元素的豐度。另外他們還探測到了一些罕見的恆星族，它們隱藏在大量普通恆星中間，很容易被忽略過去。
這意味著什麼？
宇宙中的所有化學元素，除了氫、氦和少量的鋰之外，幾乎都是在恆星內部形成的。當恆星死亡時，這些化學元素就被散布在宇宙中，新一代的恆星，行星乃至生命便從中誕生。
如果得到確認，這將對現有的星系形成模型構成挑戰。比如說，APOGEE巡天的結果將能夠幫助判斷銀暈的哪一部分是在銀河系內形成的。它還將迫使我們修改關於球狀星團形成機制的相關理論，在此之前這些理論在解釋我們觀察到的恆星氮豐度方面遭遇到巨大困難。
但或許這項研究更為深遠的意義還在於我們將會發現實際上球狀星團是宇宙中最為典型而普遍存在的恆星新生區域。在過去的20年間，研究人員們已經對很多遙遠的橢圓星系內部的一些恆星的平均化學成分進行了觀測，它們被認為在成因上是與銀暈中的恆星相似的。
但有趣的是，觀測結果已經顯示在那些星系內的恆星一般傾向於有更高的氮、鉀豐度，而這正是科學家們在球狀新團中所觀測到的現象。或許球狀星團確實為宇宙中所有星系的形成貢獻了大量的恆星，而這一點或許是我們此前還沒有意識到的。一旦證實，這將是一項重要進展，甚至將顛覆我們此前關於星系成因的基本認知，其中也包括我們所在的銀河系。
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