探秘恒星誕生地：星團一生的秘密

所有的恒星都是成群形成的，但隨后會慢慢四散開去。夜空是星星的領地。在每一個方向上，明暗不同的恒星充滿天際。一些星星看上去構成了特殊的圖案，被稱為星座。盡管這些圖案很有趣，但絕大部分只不過是人類思想在天空中的投影。在銀河系和其他星系中，大多數的恒星彼此之間并沒有真正物理上的聯系。

或者，至少現在已不存在這樣的聯系了。每一顆恒星其實都誕生于一個恒星集群之中，周圍簇擁著日后會漸行漸遠的、年齡相仿的兄弟姐妹。天文學家之所以知道這一點，是因為這樣的“恒星育嬰室”至今仍有一些存在，它們被稱為星團。獵戶星云的星團也許是其中最著名的：在哈勃望遠鏡下，獵戶星云星團的恒星在朦朧的塵埃和氣體云中閃閃發光。在戶外你能看到昴星團：它是金牛座中一片模糊的光斑。

星團間差異巨大，有的只是幾十個成員的脆弱聯盟，而有的則是數百萬顆恒星的集合。一些星團非常年輕，年齡只有幾百萬年，一些則誕生于宇宙創生初期。在它們之中，我們能找到處于恒星生命周期任意階段的恒星。實際上，我們今天對星團的觀測結果，就是現在學界所采納的恒星演化理論的主要證據。

恒星誕生地

恒星并非成形于真空，它們形成于巨大星云中，這些星云主要由氫分子和其他元素以及少量塵埃構成。這些星云散布于所有的星系中，每一個都會產生引力——不僅作用于恒星和星云之外的其他天體，還作用于星云自身的區域。由于星云自身的引力，那些氣體和塵埃特別稠密的區域會坍縮成原恒星。通過這種方式，由幾十到數千顆恒星組成的星團便可以在星云中孕育而生。

依據年齡以及恒星的數目和密度，星團通常可分為5種類型。最年輕的恒星集群被稱為內埋星團，位于濃密的星云中，因而在這種星團中，恒星發出的可見光完全被遮擋，我們只能看到被恒星加熱的塵埃發出的紅外輻射，無法辨別這些原始星團的精細結構——這是一個永恒的謎題。

相比之下，球狀星團則是最古老、成員最多的恒星集群。球狀星團的年齡可以追溯到宇宙初期，它們可以將多達100萬顆的恒星極為緊密地包裹在一起。這些成熟星團的母星云已經消失，其中的恒星清晰可見。然而，即便是最近的球狀星團也與銀河系的銀盤有著相當遠的距離，因此天文學家也難以詳盡地研究它們。恒星分布最稀疏的那種星團叫做T星協，因為它主要由最常見的年輕恒星——金牛T星組成。（太陽在“年幼”時也屬于金牛T星。）每一個T星協都包含有多達幾百顆這樣的恒星，但并未被母星云完全遮蔽。T星協的持續時間不會很長：其中已觀測到的最老T星協的年齡約為500萬年——從宇宙的角度來看，只是一眨眼的功夫。

科學家已經知道，T星協中母星云的質量要遠大于其中恒星質量的總和。這一特征可以解釋這些星團為什么壽命較短。質量決定引力的強度：質量越大，引力就越強。因此，如果一個星團中，母星云的質量遠大于其成員恒星的總質量，那么這個母星云的引力——而非恒星施加在彼此身上的引力——必定會把該星團維系在聚集狀態。如果這個母星云消散了，恒星就會四散開去。天文學家認為，是恒星風（由恒星表面向外噴射出的有力氣流）最終吹散了T星協的母星云，釋放出了先前被束縛在一起的這些恒星。

銀河系中，另一類容易觀測的恒星集群被稱為OB星協，這個名字來自其中的兩種特別的恒星，即宇宙中最明亮且質量最大的O型和B型恒星。通常來說，OB星協所含恒星的數目大約是T星協的10倍，其中還有少量O型和B型恒星。獵戶星云星團就是一個為人所熟知的例子：它位于約1 500光年之外，由4顆大質量恒星和約2 000顆低質量恒星組成，也包括了許多金牛T星。在銀河系中，獵戶星云星團是距離我們較近的區域里恒星密度最高的（獵戶星云距離地球約1 500光年）。

所有年輕的OB星協都有著類似的高密度，它們都由質量特別大的母星云形成。然而，盡管這些系統有著極強的引力，但較年老的OB星協中，恒星卻不是逐漸分散的，而是高速地沖向宇宙空間。天文學家之所以知道這一點，是因為從同一個成熟OB星協的、間隔僅幾十年的兩張圖像就能看出，恒星間的距離變遠了。

這種快速擴散的原因之一是，這些恒星一開始就運動得很快。OB星協母星云的極端引力驅使著其中的恒星高速運動。年輕的OB星協里充滿了高速運動的恒星，它們已經為母星云消散后逃出星團做好了準備。另外，在O型和B型恒星的短暫壽命中，它們會發出強烈的紫外輻射，把OB星協的母星云籠罩其中。

在這一自我犧牲的過程中，這些恒星會發出強勁的紫外輻射，后者會電離周圍的氣體——效果上等同于點著了母星云。獵戶星云星團中，塵埃和氣體正是在這一電離作用下發光。隨著母星云燒盡，引力就會減小。當大質量恒星最終死去，且母星云也消散時，該系統的引力就無法再束縛質量較小的高速恒星，它們會飛一般地揚長而去。

因此，T星協和OB星協最終都會解體，無論是通過慢慢的磨耗還是劇烈的騷動，結果都會這樣。然而，銀河系中，更為少見的第三類恒星集群卻極其穩定。它們被稱為疏散星團（相對于球狀星團），擁有約1 000顆普通恒星，可以持續存在數億年甚至數十億年。而它們的星云和引力則早已消失。

星團膨脹

雖然疏散星團非常穩定，但它們并非永恒不變的。疏散星團中，恒星之間的相互引力會緩慢而持續地攪動星團，使得恒星之間彼此迂回曲折地運動，就像蜂房中的蜂群。N體模擬可以描述這一引力攪動所產生的恒星運動。這種模擬方法也十分高效，用一臺標準的臺式計算機就能模擬類似昴星團這樣有著1 200顆恒星的星團的演化。

母星云散去以后，雖然昴星團看上去處于引力的掌控之下，但幾乎一直在膨脹，恒星以持續穩定的步伐相互遠離。而這一結果和先前的分析相左——先前的分析預測，疏散星團中的恒星會緩慢地分層，質量較大的聚集到內部，質量較小的則構成星團的外層。這一分層結構被稱為動力學遲豫，是一個標準描述，描述了被引力束縛的星團如何隨時間演化。例如，我們已經知道，球狀星團就是以這種方式演化的。然而，就算我們讓N體模擬運行至9億年后的未來，它依然會繼續膨脹。這讓我們看到了10億歲時，昴星團是何樣子——它膨脹了，但依然完整。

這一發現說明，傳統的分析忽略了主導星團演化的平衡機制中的一些關鍵因素。是什么驅動了疏散星團的均勻膨脹？其中的關鍵是雙星：緊密地相互繞轉的一對恒星，它們在星團中極為常見。現就職于英國愛丁堡大學的道格拉斯·赫吉在20世紀70年代中期所進行的模擬顯示，當有第三顆恒星接近這樣的雙星時，這三者會上演一場復雜的“舞蹈”，之后，三者中質量最小的一個通常會被高速拋射出去。被拋射出的恒星很快就會遇到星團中其他的恒星，與它們分享自己的能量，增加它們的軌道速度，以此有效地“加熱”星團。在我們的N體模擬中，正是來自這些雙星的能量，使得疏散星團發生了膨脹——盡管這一膨脹很緩慢，不易被天文學家注意到。