雙星星族合成及其研究進展

李忠木

（大理學院天文與科技史研究所，云南大理 671003）

雙星星族合成及其研究進展

李忠木

（大理學院天文與科技史研究所，云南大理 671003）

研究表明：大約一半以上的恒星是雙星，而且大部分雙星與單星的演化明顯不同，所以在星族合成中考慮雙星的演化（即雙星星族合成）對天體物理研究有重要意義。它因此被列為未來幾十年星族合成的六大挑戰之一。從雙星星族合成的提出、關鍵研究內容和近幾年的主要研究進展三個方面對雙星星族合成方法進行了概述，其中重點闡述雙星星族與單星星族的差別以及雙星星族模型對天體物理研究的影響。

雙星；星族合成

1 演化星族合成與雙星星族合成

星系和星團的光線主要來自其中的恒星，因此這些天體的光線包含了它們的恒星形成及演化信息。我們可以用星族合成方法對星系和星團的恒星成分進行分析，從而對它們的形成和演化等重要過程進行研究。最初人們采用的星族合成方法是一種試驗分析的技術〔1-6〕。這種方法采用恒星光譜的線性組合來解釋星系和星團的整體光譜，其弱點是這種方法包含非常多的不定參數，這使得人們經常難以得到確定的結果。1978年，科學家提出了一種新的星族合成方法——演化星族合成〔7-20〕。這種新方法僅含有很少的幾個不定參數，如：初始質量函數、恒星形成率、金屬豐度等。它通過不同年齡時恒星在赫羅圖上的分布來確定星族的整體光譜。到現在演化星族合成方法已經成了人們用于研究星系光譜的標準工具〔21〕。

在演化星族合成方法提出之后，人們就一直采用單星演化理論來確定不同時間恒星在赫羅圖上的分布。這在操作上非常方便，因為單星的演化比較簡單。通常不同恒星的演化可以用一個恒星演化軌跡庫來表示，人們在星族合成研究中只要對這樣的軌跡庫進行插值即可。但實際上這樣的操作并不完全與觀測到的情況相符合。觀測研究發現其實大部分恒星是雙星或處在多星系統中，因此它們的演化不是純粹的單星演化，這必然會影響到星族中恒星在赫羅圖上的分布。不過天文學家們一直覺得這些雙星或多星系統的演化不會對基于單星演化的星族合成（單星星族合成）結果造成大的影響〔22〕。此外，雙星演化的計算比單星演化復雜得多，這無形中增大了研究的難度，因此大部分人仍然堅持使用單星星族合成方法，直至今日。

盡管如此，也有一些學者對由雙星構成的星族（雙星星族）進行研究，這就是雙星星族合成。這些研究大部分都采用了Hurley等人〔23〕2002年建立的快速恒星演化程序進行恒星演化參數的計算。因為這個程序是基于一些通過擬合雙星的演化軌跡而得到的擬合公式來計算雙星的演化，所以其計算速度非?？?，能夠滿足星族合成這樣的大樣本恒星系統研究的需求。另外，這個程序考慮了大部分雙星相互作用，比較適合用于研究雙星作用造成的影響。

2 雙星星族合成的研究內容

因為星族合成是希望通過天體的整體光線來研究那些恒星不可分辨的天體的恒星成分，所以雙星星族合成也不例外。根據這個目的，雙星星族合成需要合成天體的各種可觀測特征，主要包括：赫羅圖（或顏色-星等圖）、光譜、顏色、譜指數等。因為這些特征是研究中用于分析天體中恒星成分的主要依據，因此仔細研究雙星星族的上述特征對星系和星團的星族研究非常重要。

雙星星族合成的主要任務是詳細考察雙星演化對天體整體特征量的影響，以及探索如何使用這種方法對星系和星團的物理性質、形成和演化歷史等進行研究。

3 雙星星族合成的主要進展

國際上有幾個小組開展了雙星星族合成方面的研究，其中韓占文小組、李忠木小組和Bruzual小組〔24〕等人的工作屬于演化星族合成，Hurley小組〔25〕和Kroupa小組〔26〕等人的工作則屬于動力學合成。在演化星族合成方面，韓占文小組和李忠木小組的工作比較全面，他們最先建立了完善的雙星星族合成模型并廣泛地使用該模型開展研究。Bruzual小組只做了一個測試性的工作〔24〕，他們的結果與韓占文小組和李忠木小組在此之前的工作相一致。因為本文的主要對象是演化星族合成，所以這里僅就李忠木小組和韓占文小組的結果進行介紹。

李忠木小組的一個主要進展是建立了完整的雙星星族合成模型。該模型同時包含了雙星簡單星族和雙星復合星族合成模型。它給出了7種金屬豐度、151種不同年齡（0-15 Gyr）的星族的高（0.3埃）、低（約20埃）分辨率光譜，以及譜指數、星等和顏色。其中高分辨率光譜的范圍僅為可見光波段，而低分辨率的光譜則覆蓋了紫外到近紅外的整個波段〔27〕。因此，這個模型可以方便地用于星團和星系的顏色-星等圖分析、光譜擬合、譜指數擬合等研究。為了方便和單星星族模型進行比較，李忠木小組的雙星星族模型還采用完全相同的方法給出了與雙星星族模型相對應的單星星族模型。大家可以通過相關的文章〔27-29〕來了解更多的信息。

基于上述的雙星星族合成模型，我們仔細研究了雙星作用對簡單星族（一次星暴形成的星族）的顏色-星等圖、能譜分布、譜指數和顏色等造成的影響，以及對簡單星族年齡和金屬豐度確定造成的影響〔30〕。結果表明，雙星星族中會產生很多單星星族中難以出現的特殊恒星，如藍離散星、黃離散星、紅離散星、熱亞矮星等。通常情況下，這些天體會使得相同金屬豐度和年齡的雙星星族會比單星星族藍。另外，雙星作用會使星族的光譜流量發生改變，通常對固定的金屬豐度和較大的年齡，雙星星族比單星星族在紫外波段上看起來亮很多（即紫外能流反轉，見圖1）。研究還表明，當使用雙星星族和單星星族進行研究時，二者會得到不同的簡單星族年齡和金屬豐度。其中年齡的最大差異可達到8 Gyr。

圖1 雙星簡單星族的紫外反轉能譜

此外，由于很多研究都表明即使是星族成分比較簡單的早型星系和球狀星團，它們中的恒星也很可能不是一次形成的。因此，大部分星系和星團中的星族不是簡單星族，而是復合星族。根據這種推論，2012年我們研究了雙星星族對復合星族參數確定的影響〔31〕。結果發現，理論星族是否包含雙星演化對復合星族中年輕成分的年齡測量造成了非常顯著的影響?？梢哉f，用雙星星族和單星星族兩類模型將會得到幾乎完全不同的年輕恒星年齡。因此，星族模型中雙星作用的加入有可能完全改變此前人們關于星系恒星形成歷史的研究。另外，雙星星族模型的使用可以改變此前關于星系中塵埃消光的研究結果：雙星星族研究不再像單星星族研究那樣需要負的消光值而且通常會得到更大的消光值。這些結果很可能會對將來的星系研究造成顯著的影響。

當我們將雙星星族模型用于具體星系和星團的研究時，我們同樣取得了意想不到的成功。具體地，我們關于80個橢圓星系的譜指數研究給出了對星系等級成團并合形成模型的支持〔32〕。這與其它很多觀測和動力學的研究相一致〔33〕。此外，同時考慮了雙星作用和恒星轉動的簡單星族模型成功地解釋了大麥哲倫云中中等年齡星團的奇異顏色-星等圖〔34〕。星團中的藍離散星、紅離散星、主序和拐點展寬、擴展的紅團簇等均被完美地重現。見圖2。因為雙星和恒星轉動普遍存在于恒星之中，所以我們的模型是目前最自然的模型。

圖2 金屬豐度為0.008、年齡為1.8 Gyr的雙星簡單星族的顏色-星等圖

除了上述結果外，韓占文小組的研究顯示雙星星族模型能夠對星系測光紅移的測定產生明顯的影響〔35〕。他們還嘗試著研究了雙星作用對恒星形成率研究的影響，但結果表明雙星作用似乎并不重要〔36〕。

4 討論

雙星是恒星存在的基本形式之一，其演化與單星有明顯不同。雙星演化對白矮星、脈沖星、Ia型超新星、引力波、伽馬射線暴、演化星族合成等研究均有重要的意義。雙星在星族合成研究中的作用被列入了未來幾十年星族合成領域的六大挑戰之一。目前有越來越多的學者正投入這方面的工作之中，相信雙星星族合成會在天文和天體物理研究中獨放異彩。雖然已經取得了明顯的進展，但是雙星星族合成還有很多地方有待提高。首先，大家幾乎都采用Hurley等人的快速恒星演化程序進行雙星演化計算。因為程序本身含有很大不確定性，所以基于這個程序得到的結果也難以精確。第二，我們的金屬豐度（Z）上限值僅為0.03，這對很多天體顯然太低（單星星族研究中一般取到0.05以上）。第三，不管是雙星演化還是單星演化，都有很多演化階段（圖TP-AGB）的處理并不確定。最后，星族合成研究中的很多物理參量對其觀測量的影響是簡并的，這使得我們的很多結果都不確定。因此，雙星星族合成還有很長的路要走，其發展不僅要依賴于更多、更全面的理論模擬，也需要更完善的觀測限制。

〔1〕Spinrad H，Taylor B J.The Stellar Content of the Nuclei of Nearby Galaxies.I.M31，M32，and M81〔J〕.Astrophysical Journal Supplement，1971，22：445-484.

〔2〕Faber S M.Variations in Spectral-Energy Distributions and Absorption-Line Strengths among Elliptical Galaxies〔J〕. Astrophysical Journal，1973，179：731-754.

〔3〕O'Connell R W.Galaxy spectral synthesis.I- Stellar populations in the nuclei of giant ellipticals〔J〕.Astrophysical Journal，1976，206：370-390.

〔4〕Turnrose B E.The stellar content of the nuclear regions of SC galaxies〔J〕.Astrophysical Journal，1976，210：33-37.

〔5〕Pritchet C.Stellar population synthesis of galactic nuclei〔J〕.Astrophysical Journal Supplement，1977，35：397-418.

〔6〕Pickles A J.Differential population synthesis of early-type galaxies.III-Synthesis results〔J〕.Astrophysical Journal，1985，296：340-369.

〔7〕Tinsley B M.Evolutionary synthesis of the stellar population in elliptical galaxies.II-Late M giants and composition effects〔J〕.Astrophysical Journal，1978，222：14-22.

〔8〕Bruzual A G.Spectral evolution of galaxies.I-Early-type systems〔J〕.Astrophysical Journal，1983，273：105-127.

〔9〕Arimoto N，Yoshii Y.Chemical and photometric properties of a galactic wind model for elliptical galaxies〔J〕.Astronomy and Astrophysics，1987，173（1）：23-38.

〔10〕Guiderdoni B，Rocca-Volmerange B.A model of spectrophotometric evolution for high-redshift galaxies〔J〕.Astronomy and Astrophysics，1987，186（1-2）：1-21.

〔11〕Buzzoni A.Evolutionary population synthesis in stellar systems.I-A global approach〔J〕.Astrophysical JournalSupplement，1989，71：817-869.

〔12〕Bruzual A G，Charlot S.Spectral evolution of stellar populations using isochrone synthesis〔J〕.Astrophysical Journal，1993，405：538-553.

〔13〕Bressan A，Chiosi C，Fagotto F.Spectrophotometric evolution of elliptical galaxies.1：Ultraviolet excess and colormagnitude-redshift relations〔J〕.Astrophysical Journal Supplement，1994，94：63-115.

〔14〕Fritze V，Alvensleben U，Gerhard O E.Star formation in merging galaxies〔J〕.Astronomy and Astrophysics，1994，285：751-774.

〔15〕Worthey G，Faber S M，Gonzalez J Jesus，et al.Old stellar populations.5：Absorption feature indices for the complete LICK/IDS sample of stars〔J〕.Astrophysical Journal Supplement，1994，94（2）：687-722.

〔16〕Leitherer C，Heckman T M.Synthetic properties of starburst galaxies〔J〕.Astrophysical Journal Supplement，1995，96（1）：9-38.

〔17〕Fioc M，Rocca-Volmerange B.PEGASE：a UV to NIR spectral evolution model of galaxies.Application to the calibration of bright galaxy counts〔J〕.Astronomy and Astrophysics，1997，326：950-962.

〔18〕Maraston，C.Evolutionary synthesis of stellar populations：a modulartool〔J〕.MonthlyNoticesofthe Royal Astronomical Society，1998，300：872-892.

〔19〕Vazdekis A.Evolutionary Stellar Population Synthesis at 2 ? Spectral Resolution〔J〕.Astrophysical Journal，1998，513（1）：224-241.

〔20〕Bruzual G，Charlot S.Stellar population synthesis at the resolution of 2003〔J〕.Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2003，344：1000-1028.

〔21〕Walcher J，Groves B，Budavári T，et al.Fitting the integrated spectral energy distributions of galaxies〔J〕.Astrophysics and Space Science，2011，331（1）：1-51.

〔22〕Brinchmann J.Challenges in Stellar Population Studies〔J〕. IAUS，2010，262：3.

〔23〕Hurley J R，Tout C A，Pols O R.Evolution of binary stars and the effect of tides on binary populations〔J〕.Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2002，329（4）：897-928.

〔24〕Hernández F C，Bruzual G.A Stellar Population Synthesis Model that Includes Binary Interaction〔J〕.Revista Mexicana de Astronomia y Astrofisica Conference Series，2011，40：277.

〔25〕Hurley J R，Shara M.A direct N-body model of corecollapse and core oscillations〔J〕.Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2012，425（4）：2872-2879.

〔26〕Marks M，Kroupa P.Inverse dynamical population synthesis. Constraining the initial conditions of young stellar clusters by studying their binary populations〔J〕.Astronomy and Astrophysics，2012（543）：A8.

〔27〕Li Z M，Han Z W.An isochrone data base and a rapid model for stellar population synthesis〔J〕.Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2008，387（1）：105-114.

〔28〕Li Z M，Han Z W.Fitting formulae for the effects of binary interactions on lick indices and colors ofstellar populations〔J〕.Research in Astronomy and Astrophysics，2009，9（2）：191-204.

〔29〕Li Z M，Zhang L Y，Liu J Z.Integrated spectral energy distributions of binary star composite stellar populations〔J〕.Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2012，424：874-883.

〔30〕Li Z，Han Z W.How Binary Interactions Affect Spectral Stellar Population Synthesis〔J〕.Astrophysical Journal，2008，685（1）：225-234.

〔31〕Li Z M，et al.Importance of binary evolution for UV-opticalspectralfittingofearly-type galaxies〔J〕. Astrophysical Journal，submitted.

〔32〕Li Z M，Zhang F H，Zhan W H.A Study of Binary Stellar Population Synthesis of Elliptical Galaxies〔J〕.Chinese Journal of Astronomy and Astrophysics，2006，6（6）：669-679.

〔33〕Thomas D，Maraston C，Bender R，et al.The Epochs of Early-Type Galaxy Formation as a Function of Environment〔J〕.Astrophysical Journal，2005，621（2）：673.

〔34〕Li Z M，Mao C Y，Li R H，et al.A binary study of colormagnitude diagrams of 12 globular clusters〔J〕.Research in Astronomy and Astrophysics，2010，10（2）：135-141.

〔35〕Zhang F H，Han Z W，Li L F，et al.The effects of ultraviolet photometry and binary interactions on photometric redshift and galaxy morphology〔J〕.Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2010，408（2）：1283-1306.

〔36〕Zhang F H，Li L F，Zhang Y，et al.Binary interactions on the calibrations of star formation rate〔J〕.Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2012，421（1）：743-759.

Binary Star Stellar Population Synthesis

LI Zhongmu
（Institute for Astronomy and History of Science and Technology，Dali University，Dali，Yunnan 671003，China）

Observations showed that more than half stars are binaries,and the evolution of binaries is obviously different from single stars. Therefore,it is important to include binary evolution in stellar population synthesis.The importance of binaries for stellar population studies has been listed as one of six main challenges of stellar population synthesis in the next decades.This paper introduces the birth,main research content and progress of binary star stellar population synthesis.

binary star；stellar population synthesis

P153

A

1672-2345（2013）04-0029-04

云南省教育廳科研基金重點資助項目（2010Z004）

2012-12-27

2013-03-01

李忠木，教授，主要從事星族合成及星系研究.

（責任編輯 袁 霞）

10.3969/j.issn.1672-2345.2013.04.008