同样年龄的星团,外观不见得也相同

星团由数十到上百万颗不等的恒星组成,恒星彼此间的重力交互作用会让星团结构随时间而改变,天文上称为“动态演化”(dynamical evolution)。

动态演化结果使较重的恒星逐渐沉往星团中心,质量低的则向外移动甚至逃离星团。这样的变动最后将导致星团核心区域随时间逐渐缩紧,而相同实际年龄的星团会因动态演化的关系,使其外观和形状差异甚大。因此,来自哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope)观测大麦哲伦星系(Large Magellanic Cloud,LMC)中的星团大小随时间的变化结果显示:光按照实足年龄来呈现完整故事的研究方式,在星团演化领域的探索上并不适合;即便星团年龄相同,但最后都会因为动态老化的程度不同而使星团结构相异。

哈勃太空望远镜拍摄的球状星团NGC 1466。这个星团是大麦哲伦星系中“唯5”曾测量过动态演化的星团,整个星团的总质量相当于140,000倍太阳质量,年龄约达131亿年,几乎与宇宙年龄相同。(Source:哈勃太空望远镜)

LMC离地球约160,000光年,是银河系的卫星星系之一,拥有各种年龄层的星团,这和我们银河系大都是老星团不一样。LMC里的星团大小分布状况与年龄有关,这个观测结果让天文学家感到疑惑,因为年轻星团全都很紧密,但最老的星团却有的大、有的小。

包含LMC在内的所有已知星团中都发现有一个特别的“回春恒星”,也就是所谓的“蓝脱序星”(blue straggler)。在某种特定环境下,恒星会收到多余的“燃料”,使它们核融合反应更加剧烈而变亮。这通常发生在双星之间,其中一个夺取另一个的物质,或是两星碰撞整合的时候。

星团中蓝脱序星的两种形成过程示意图。左为碰撞模式,在极拥挤环境中,两颗低质量恒星因碰撞而整合成一颗大质量恒星;右为吸血鬼模式,一对恒星中,其中一颗子星的质量被另一颗掠夺走。(Source:哈勃太空望远镜)

随着动态演化老去,重恒星沉向星团中心,类似沉积过程,因此称之为“中心分异”(central segregation)作用。蓝脱序星很亮,使得它们很容易被观察到,而且由于它们质量很大,会被中心分异作用影响,故可用以之估计星团动态年龄。

意大利波隆那大学(University of Bologna)Francesco Ferraro等人通过哈勃太空望远镜观察LMC里5个大小不一的老星团中的蓝脱序星,最后成功地按它们的动态年龄排序,以此证明星团结构不同是因为动态老化的程度不同所致,虽然出生时的年龄相同,但最后的整个星团物理形态并不相同。这项研究结果,打开了一扇新窗,让天文学家能更了解星团形成历史。