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为什么恒星看起来比实际上要年轻:年龄的秘密

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20 December 2012
Image gallery of 12 globular clusters

图为12个球状的星团按由恒星动力学推断的年龄从小到大排列。它们的动力学年龄是通过观测星团中的蓝离散型的径向分布来测得的。来源:F. Ferraro (UniBO)

根据2012年12月20日的报道,一项由美国航空航天局(NASA)和欧洲航天局(ESA)合作的哈勃太空卫星新研究揭示了星团的老化过程跟它们的存在方式比实际年龄更有关。宾州州立大学天文和天文物施坦因·西格森(Steinn Sigurdsson)是研究的合作者。“我们的观测结果显示,虽然这些恒星都是一百多亿年前产生的,但它们中一部分的核心还很年轻”西格森说,“我们现在能知道这些星团离各自的坍塌到底还有多久。这就好像每个星团都有一个内在的生物钟,有些走的比其他星团慢。”西格森是一个宾州州立大学的理论家,也是欧洲科学研究委员会(European Research Council)的宇宙实验室项目的一名合作工作人员。研究已发表在《自然》(Nature)杂志上。

球状星团是成球状聚集的恒星,在相互引力的作用下形成的。银河系中大约有150个球状星团含有我们最古老的恒星。这些有120到130亿年历史的宇宙早期的遗留物跟宇宙大爆炸的年代差不多久远。“虽然这些星团都产生于数十亿年前,我们觉得它们中有些可能要老化的相对较快或较慢”研究的首席科学家,意大利博洛尼亚大学(University of Bologna)的弗朗西斯科·菲拉罗(Francesco Ferraro)说道,“通过研究一种蓝色恒星在星团内的分布,我们发现部分星团确实比其他星团演化的快,同时我们也发明了一个测量星团演化速度的方法”。

星团在很短的时间内形成,所以里面恒星的年龄都差不多。由于高亮度高质量的恒星消耗得很快,而星团又往往很古老,所以应该只有质量较小的恒星。但是西格森和同事们发现,在有些情况下恒星在爆炸后会重获新生。西格森说:“当相邻的两个恒星融合或相碰,其中一个恒星获得另一个的额外燃料,就能使它体积增大并变得更亮。”

这些再生的恒星质量很大并且亮度很高。它们被称为蓝离散星因为它们是蓝色的并且演化的比周围的恒星要慢。蓝离散星是星团内唯一结合了高质量和高亮度的恒星。

Blue straggler stars

图片揭示了为什么蓝离散星会比星团内的一般恒星重:恒星碰撞(图中上半部分),伴星的‘吸收’现象(Vampirism phenomena)(图中下半部分)。来源: ESA Cosmic Lab

较重的恒星随着星团演变向星团的中心沉降。高质量的蓝离散星受此影响特别明显,而且它们的光亮对天文学家来说比较容易观察。为了更好的研究星团的演化,研究小组绘制了21个球状星云的位置,其中包括来自哈勃太空望远镜、欧洲南天天文台(the European Southern Observatory)的 MPG/ESO 2.2米路基望远镜, 加拿大-法国-夏威夷望远镜(the Canada-France-Hawaii telescope)和日本国家天文台的斯巴鲁望远镜(the Subaru Telescope of the National Astronomical Observatory of Japan)的图片。哈勃提供了20个星团中心密集区域的高清图片,地面望远镜提供了这些星团外部密度较小区域的更广阔的视野。

通过研究观测数据,研究小组发现小部分星团很年轻,里面的蓝离散星分布在各个地方,而大部分星团显得较老,蓝离散星聚集在中心。还有一部分正在老化,离星团中心较近的恒星首先向里移动,离核心较远的恒星随之逐渐向中心下沉。

“由于这些星团都在差不多的时间形成,这项研究揭露了星团演化时间的大不同”来自博洛尼亚大学的论文的另一名合作者芭芭拉·兰佐尼(Barbara Lanzoni)说道,“在老化较快的星团中,我们认为恒星沉降至星团中心的过程能在几亿年内完成,而老化最慢的星团可能要花上宇宙现龄几倍的时间”。

星团内最重的恒星们向中心下沉并最终出现一个叫核坍塌的现象,星团的中心随之串在一起变得密度非常高。核坍塌的过程科学家已经很熟悉了,和恒星数目,密度和速度相关。然而,它们发生的频率科学家还不是很清楚。西格森说:“这项完全基于观测数据的研究第一次为我们揭示了各种不同球状星团的老化速度。

太空科学望远镜机构(Space Science Telescope Institute)提供了宾州州立大学这项研究的经费。

本文作者:芭芭拉·肯尼迪(Barbara Kennedy)

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