永无宁日的星群
著
：
Robert Irion
译：
Shea
狂暴是球状星团的特征，在那里恒星被撕碎，双星在“蒸发”，整个星团岌岌可危处于坍缩的边缘。
假如在球状星团核心处的一颗行星上仰望星空，景象会极为壮观。与在几光年之内只有几颗恒星的太阳不同，球状星团中的外星人能看到10万颗甚至更多的恒星。那里的天文学家可以清楚的看到双星系统中的子星、脉冲星，以及位于星团中心的大量中子星或者是中等质量黑洞。
只有一个问题：这样一个行星系统可能根本就不存在。球状星团中央的恒星非常密集，彼此间的作用非常剧烈，用天文学术语来说，这样的行星系统不可能在这种混沌中幸存。事实是，就算恒星本身也难以幸免。许多恒星在强烈的引力交会之后，被弹射到了星团的外缘，或者甚至被抛射出了星团。另一些恒星则会发生碰撞，形成奇特的新天体，这一事件发生的概率在星团中比在银河系的其他地方高出了至少10亿倍。
无怪乎天文学家对球状星团情有独钟。“球状星团是能创造出神奇的地方，”哈佛—史密松天体物理中心的天文学家乔纳森·格林德雷（Jonathan Grindlay）说。“球状星团的确是一个古怪而神奇的地方，”美国自然历史博物馆的迈克尔·沙拉（Michael Shara）补充说，“这完全是星团中的恒星靠得太近所造成的。”
恒星生态学
在银晕中已知有150个球状星团。它们正沿着各自的轨道高速运动。一个对星团的时间序列模拟显示它们就象是路灯旁飞舞的飞蛾。许多高度凝聚的球状星团在小望远镜中是非常吸引人的天体，只有用哈勃空间望远镜才能把它们分解开。
哈勃空间望远镜和钱德拉X射线天文台的详尽观测使得球状星团在世人面前展示出了全新的一面。球状星团的核心——球状星团奇异特性的发源地——对于我们的视线来说已经不再是无法贯穿的了。“对于哈勃空间望远镜和钱德拉X射线天文台那里已经变得透明了，”加州大学旧金山分校的天文学家埃吉恩·库（Adrienne Cool）说，“现在我们甚至可以看到星团后面的星系，即使是一个极为致密的核心，也已经可以被分解开了。”
这些观测揭示出不同星团之间的巨大差异。例如，球状星团杜鹃47中充满了毫秒脉冲星——一种年老的中子星，由于吸积气体而获得额外的角动量，进而高速自转。在2002年12月10日出版的《天体物理学报》上格林德雷和他的同事分析认为，杜鹃47中大约有100颗毫秒脉冲星。与之形成对比的是，银河系中最大的球状星团——半人马ω——却没有毫秒脉冲星。现在由库领导的小组正在使用哈勃空间望远镜和钱德拉X射线天文台对它进行观测，新的结果也许会对此做出解释。这是一个艰巨的任务：哈勃空间望远镜的高新巡天相机要曝光9次才能拍摄到170万颗恒星，而这仅仅是半人马ω恒星总数的一半，这个星团实在是太大了。
另一个对于星团间巨大差异的解释来自计算机模拟。东京大学建造了超级计算机GRAPE，专门用来模拟引力相互作用。“我们几乎已经可以模拟球状星团从出生到死亡的整个过程，”荷兰安姆斯特丹大学的天体物理学家希蒙·波特杰斯·兹瓦尔特（Simon Portegies Zwart）说。而且GRAPE已完成对一个小型星团（10万颗恒星）从几小时到100亿年时间跨度的模拟。
他们的工作显示星团的动力学机制与星团中恒星的演化密不可分。由于恒星靠的非常近，它们的质量或者体积只要有微小的变化都会对它们周围的恒星造成巨大的影响。波特杰斯·兹瓦尔特和他的同事使用“恒星生态学”来描述恒星间的关系。“我们从生物学中借用了这个词，”他说，“对于相互作用来说，它们都是一个整体。”
[图片说明]：二合一。模拟球状星团核心附近的恒星合并，形成“蓝色迷途者”。图片版权：A. SILLS/MCMASTER UNIVERSITY, ONTARIO
双星分子
这个整体中最重要的成员就是双星。“球状星团的能量就蕴藏在这些恒星双分子之中，”普林斯顿高级研究所的天体物理学家皮特·哈特（Piet Hut）说，“当它们与单个恒星或者其他双星互相作用时，能量就会被释放出来，这会‘加热’整个星团。”
如果说哈特的话听起来像热力学的话，这是有道理的。科学家在加热气体和由于双星运动激发球状星团中的恒星之间画上了等号。“这就像把气体中的分子换成了恒星，但其中的物理学是一样的，”西北大学的天体物理学家福雷德里克·罗西奥（Frederic Rasio）说。
球状星团中的高密度归咎于其中的双星系统。如果球状星团膨胀变大，而且恒星也不再拥挤在一起，那么恒星与双星之间就很少会出现交会现象。但是，当引力把星团越收越紧时，情况就大为不同了。当一颗恒星从一对双星旁经过时，它会获得动能，进而加速。同时，双星的轨道则会收缩，这一过程被称为“燃烧”。有时，第三颗恒星会取代双星系统中的一颗子星，并且把它抛射到星团的边缘。这种交换会使得星团变大。
许多交换也是有代价的，许多引力作用过分强烈，以至于有的恒星逃逸出了整个星团。这样的“蒸发”，正如天文学家所称呼它的，对星团的长期存在构成了威胁。而且，在每次引力相互作用之后，双星的轨道就会变得越来越紧。一个星团可以存在1亿年，100亿年或者更久，这取决于它的初始质量和其中双星的数量。但无情的是，星团中恒星的数量总是会减少的，最终只剩下一些年老的幸存者。
[图片说明]：NGC6397核心处的恒星。图片版权：ESA AND FRANCESCO FERRARO/BOLOGNA ASTRONOMICAL OBSERVATORY
没有人确切知道当球状星团形成时，其中恒星形成双星的难易程度。但是计算机模拟显示，少量的双星就能左右星团的演化。如果星团中有5%-10%的双星，它们就足以“加热”其他的恒星，使星团免于坍缩。确实，少量双星所产生的能量足以与维系星团的引力相抗衡。
但是，灾难性的坍缩还是会发生。据推断，银河系中大约有20%之多的球状星团正在经历“核心坍缩”。在极端情况下，核心区域的恒星密度始终在升高，其核心密度几乎可以达到允许的极限，超过一般情况的1万倍。
罗西奥说，这时，观测和理论就会出现尖锐的矛盾。理论模型预言，由于最内部的双星，核心坍缩的星团会瞬间恢复原状，因为星团收缩会提高恒星交会的概率，进而使更多的恒星被抛射到星团的外围。按照这个理论，核心坍缩只是一个瞬间的状态，天文学家现在不可能观测到这样的系统。“核心坍缩之后，我们真的不知道会发生什么了，”罗西奥说，“任何可行的模型都会隐含一些东西。”
多少知道一点的是，在星团核心附近，当恒星相互碰撞时会形成新的奇特的天体。其中，双星再次扮演了重要的角色。如果两颗子星间的距离足够大，那么第三颗恒星就可能进入其间，最终导致碰撞。“这是一个巨大的倍增效应，”沙拉说，“它使得球状星团中的恒星碰撞率比其他地方高出了几百万甚至几十亿倍。”
天文学家已经找到了一些碰撞的证据。它们被称为“蓝色迷途者”，这些恒星看上去年轻、炽热，而且质量普遍大于星团中的其他恒星，但是它们却都诞生于宇宙的早期。
迈马斯特大学的天文学家埃里森·希尔斯（Alison Sills）的计算机模拟显示，这些天体从诞生到发光需要几千年的时间。因为核聚变需要时间，而且碰撞之后的合并天体旋转的太快，几乎会把自身撕裂。“它可能会抛出一些物质，但我们并不知道它们减速的确切机制，”希尔斯说。包括沙拉和维拉诺维大学的天文学家莱克斯·萨芬（Rex Saffer）的一个天文学家小组已经使用哈勃空间望远镜发现了将近100个这样的天体。
[图片说明]：球状星团杜鹃47。左图是地面拍摄的照片，右图是空间望远镜拍摄的照片。图片版权：R. SAFFER/VILLANOVA UNIVERSITY, D. ZUREK/STSCI AND NASA
深入核心
另一个谜是，球状星团的核心到底是什么？NASA9月份公布的哈勃空间望远镜的发现认为球状星团M15和G1的核心是“中等质量黑洞”。这些黑洞的质量大约是太阳质量的书千倍，介于恒星质量黑洞和超大质量黑洞之间。现在，天文学家对于G1中心有黑洞没有异议，但是对于有关M15的结论择优一些疑义。
为了认证中等质量黑洞的存在，天文学家使用哈勃空间望远镜来测量星团核心区域恒星的运动速度。极高的轨道速度预示着一些不可见的物质加速了恒星。但是还有一个问题，其他位于中心的致密天体也能产生同样效果，例如在小范围内的上千颗中子星。这么多的中子星未必会在其他地方出现，但是在球状星团中则是完全可能的。因为在球状星团中大质量的天体很快就会进入星团的核心区域，就橡较重的分子总是位于地球大气层的底部一样。
对于M15，哈勃空间望远镜的结论建立在早期对其中中子星数量的估计之上。相对少的数量使得他们很有信心的认为中子星不足以解释观测到的现象。直到后来，其他天文学家发现这一估计值偏小了3-5倍。“我们无法排除只有大量中子星而没有黑洞的情况了，”德克萨斯大学的天文学家卡尔·吉布哈特（Karl Gebhardt） 说。
[图片说明]：银河系中最大的球状星团半人马ω。图片版权：NASA, THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA), AND A. COOL/SFSU。
这一反复到并没有使得哈特、波特杰斯·兹瓦尔特和他们的同事感到吃惊。他们使用GRAPE，对于M15这一类型的球状星团进行了模拟。在1月1日出版的《天体物理学报通信》上，他们的小组报告，M15核心处可能会有大量的小黑洞和中子星。若要存在一个中等质量黑洞，他们认为，星团中的巨星必须在年轻时就快速的合并。一旦恒星爆发形成了黑洞和中子星就很难在发生碰撞合并。“致密天体非常的少，他们形成之后几乎不可能发生碰撞，”波特杰斯·兹瓦尔特说，“他们会把其他的天体抛射出星团，而不是与他们合并形成更大的天体。”
争论还远没有结束。吉布哈特手中有地面观测的其他15个球状星团中恒星运动的数据资料，其中大部分的核心没有M15那么稠密。他的分析（将于几个月之后公布）显示中等质量黑洞将是最好的解释。“我现在越来越相信这是事实，”他说，“但是我意识到这很难让别人相信。”
无论核心是否有黑洞，球状星团在研究者心目中总是奇特之极的。“如果宇宙中没有球状星团，也许没有人会认为它们会存在，”密歇根大学的史蒂芬·赞普夫（Stephen Zepf）说。但是，幸运的是，它们的确存在——而且给了天文学家一个当恒星变得密集时会发生什么的最佳范例。
译自 [Science 3 Jan 2003]
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