互动科普

不速之客：年轻球状星团

传统观点认为，球状星团是宇宙中一群古怪的“老家伙”，但实际上存在许多年轻的球状星团，并不断有更新的产生。

撰文／Stephen E. Zepf和Keith M. Ashman

纵现一个星系，会发现大多区域的恒星都是稀稀落落地散布在辽阔的空间中，犹如开阔平原上的一幢幢农舍。恒星之间的距离段其遥远，因此它们彼此几乎毫不相干。然而，星系中也有某些区域看起来更像城市而不是农村，这些区域就是球状星团所在的地方。一个球状星可以容纳多达100万颗恒星，而在星系的其他地方，同样大体积的空间内可能只有孤零零的一颗恒星。球状星团不仅拥挤不堪，而且年龄也非常老。银河系大约有200个球状星团，其中某些恒星属于宇宙中已知的年龄最大的恒星之列。年轻恒星在球状星团中连影子都找不到。因此，天文学家一般把球状星团看成是古老的城市，就像罗马或伊斯坦布尔等历史名城一样。它们诞生下很久以前，几乎没有多大变化。这些拥挤而陈旧的“城市”可以告诉我们关于往昔的许多故事，但是对现代星系的组织形成并不能提供多少线索。

至少天文学家以前是这样认为的。不过，最近天文学家一直在忙于修改星系图(还有教科书)。借助于哈勃太空望远镜这个洞察一切的“火眼金睛”，天文学家已经看到了“新城镇的灯光”。这些新发现的城市生机勃勃，这说明球状星团不仅可以而且确实在继续形成。看来星系在互相碰撞时，就可能有球状星团产生。研究人员通过这些发现，得以了解天文学中的某些关键问题，例如大质量星系起源的过程与时间，以及这种星系的演化。早在20世纪初，天文学家就已经知道球状星团在宇宙中随处可见。实际上，几乎所有的星系内都可以发现球状星团的踪影。除了个别例外，一个球状星团内的所有恒星的年龄与组成看来非常接近。因此，球状星团似乎是恒星突增的产物，也就是大量恒星在问一时间形成于相当小的一个区域内。在银河系，这一过程恰好与银河系本身形成的过程同时发生，从而使得这些星团成为天文学家探究宇宙年龄和星系形成过程的理想工具。值得注意的是，银河系内的球状星团散布在一个球形区域内，而此区域的范围远远超出了绝大多数恒星所在的扁平银盘之外。这个球形区勾划出的很可能正是银河系以前所具有的形状。因此，银河系在其诞生和早期演化期间必定经历了大幅度的坍缩。

银河系内球状星团的年龄通常相当大，这对于我们研究一般的球状星团曾带来深远的影响。我们可以用打比方来说明这一点。假设有一位火星人造访地球，刚好在一处老式住宅着陆，而住宅内的人全是八旬老翁。这位火星人不知道地球上还有其他人，于是他可能断定人类的生育繁衍早在80年前便终止了。1990年代初，天文学家面临的差不多就是这种情况。大多数试图解释球状星团起源的模型，都把考察重点放在早期宇宙的状况上，并认为球状星团的形成是过去的事情。

星系合并的产物

我们在10年前着手研究这个问题时，提出了一个多少有点不同的模型。具体地说，就是我们和美国加州帕萨迪纳卡内基天文台的Francois Schweizer以及其他一些研究人员分别提出，球状星团的形成其实不一定已经终止。找不到比较年轻的球状星团或许只是我们的观测能力有限所造成的假象。银河系内的球状星团可能全是老家伙，可是其他星系内的球状星团难道也如此吗?只要条件合适，球状星团的形成过程多半会持续下去。

两个旋涡星系互相碰撞时也许就会发生这种情况，因为旋涡星系内有大量的富余气体可以用来形成新的恒星。虽然星系之间的距离非常遥远，但天文学家已经观察到星系碰撞的事件。不用说，这种碰撞会使星系发生剧烈的变化。两个碰撞星系的合并常常引发恒星突增，此时恒星形成的速率短暂地急剧增加。星系的碰撞还可能使它们的形状发生变化。具体地说就是两个旋涡星系合并后可能形成一个椭圆星系。

天文学家以前曾怀疑，星系碰撞能否把旋涡星系转变成椭圆星系。已有的观察表明，椭圆星系内的球状星团多于质量相当的旋涡星系内的球状星团，这一事实为他们的怀疑提供了依据。如果两个旋涡星系只是简单地合在一起的话，那么每一星系质量的球状星团数目应当保持不变。但如果合并过程本身打造出了新的球状星团，那么椭圆星系的球状星团多于旋涡星系这一观测结果就说得通了。

为了检验我们的模型，我们必须观测富含气体的星系，以确定它们是否真的含有新近形成的球状星团。借助于哈勃太空望远镜，这类观测终于从设想变成了现实。哈勃望远镜不受地球大气层的干扰；那些以前看起来只不过是一块模糊斑点的遥远星系，通过哈勃望远镜的观测，它们的球状星团一个个清楚地显现出来。用哈勃望远镜观察正在发生恒星突增的星系，发现这些星系含有大质量的稠密年轻星团。这些星团的大小及推断质量与银河系中的球状星团相仿。它们仅仅形成于恒星突增活动十分强烈的区域内。因此，星系的碰撞可能不仅会导致新恒星的问世，而且也会促使新的球状星团形成。

哈勃望远镜拍摄的图像虽然令人信服，但并没有彻底解决问题。我们怎么能够肯定这些似球状的星团跟银河系内的球状星团真的就是同一类型的天体，只不过比后者年轻得多呢?需要有更多的证据把这两类球状星团联系起来。这里我们再借用一下前面提到的那个比方：假定那位火星人已经对一个触目皆是八旬老人的世界习以为常，而现在却突然见到一群孩子，那么他多半会深感意外，并希望找到证据来证明这些孩子和老人实属同一类人。

新老“一家人”

证明两类球状星团存在某种关联的途径之一，是在老年椭圆星系中确认这两类球状星团。如果老年椭圆星系是通过旋涡星系的合并形成的，那么它们就应当既有较老的球状星团(即最初与旋涡星系有关的球状星团)，又有年轻的球状星团。在我们提出来的那个模型中，椭圆星系所含的每种类型的球状星团的数目大致相同。

我们还提出，这两种类型的球状星团可以通过颜色来区别。

把年轻球状星团与年老球状星团联系起来的另一条途径，是寻找中等年龄的球状星团。

大密度的奇观

【郭凯声/译; 曾少立/校]