不平靜的銀河系球形星團(圖)


【明慧網2003年1月18日】

計算機模擬星團中星體碰撞融合過程

近來天文學家在廣闊的天體範圍內發現了許許多多出乎意料的現象,這些觀察結果顯示我們的宇宙正在發生著劇烈的變化。《科學》雜誌在2003年伊始發了一期特別期刊用以介紹銀河系中球形星團中發生的巨變。

球形星團據信是宇宙中最古老的星團。測定宇宙年齡的一種方法就是通過測定球形星團中古老星體的年齡來估測宇宙年齡的下限。對銀河系球形星團的觀測發現了許多震撼人心的大變動。天文學家指出如果我們能夠在距離星團核心較近的區域觀察這些球形星團,我們會發現那裏的夜空無比絢麗多彩。羅伯特-伊裏恩(Robert Irion)教授的文章「銀河系中不平靜的群星」集中介紹了在銀河系球形星團中觀察到的壯觀景象。


群星薈萃的銀河星團47 Tucanae核心,來源:NASA(美國航空航天局)

在地球上,在距離太陽幾光年之內我們只能看到為數不多的幾個恆星,但是在這些球形星團附近卻有十萬個以上的恆星。這麼多星體薈萃在這麼小的空間裏,因此星團裏面熱鬧非凡,眾多的雙星系統以幾小時,甚至以幾分鐘為周期互相環繞著,脈衝星一分鐘自轉上1000週,他們運動的軌道互相交叉穿越。在計算機模擬圖象中,眾多的星體就像繞著街燈飛行的一大群飛蛾。星體之間的相互作用的景象使人眼花繚亂。星團中星體的相互作用使許多星體被拋射到星團外圍或遠離星團的空間;許多星體甚至互相碰撞成為新星體。在球形星團中發生這種碰撞的機率比在其它區域要高達十億倍以上。這些相互作用吸引了許多天文學家。

科學家從哈勃望遠鏡和錢德勒X-射線觀測儀的觀測結果和計算機模擬中發現星團中星體的演化和星團的動力學息息相關,每一個星體的變化都對周圍環境發生重要的影響,從而影響著其它星體的變化。

星團中的雙星系統是科學家們感興趣的對像之一。科學家們把雙星系統比作含有兩個原子的分子系統,雖然兩個系統的尺寸相差很大,雙星系統由星體而非原子組成,但是科學家們認為兩個系統有著相同的物理實質。雙星系統的行為受整個星團密度的影響。當星團膨脹時,其中的星體距離不是太近,雙星系統和其他星體的碰撞機會很少。但是星團中星體的相互吸引不可避免地使星團體積縮小。當雙星系統與另外一個星體靠近時,另外的星體可以從雙星系統獲得能量從而使雙星系統互相環繞的軌道變小。有時第三個星體甚至取代雙星系統中的一個並且把它拋出星團之外。科學家們把這個過程叫做星團中星體的「蒸發」。這種交換使得星團密度變小,避免星團核心的坍縮,但是從長遠來看,也使得星團的生存受到威脅,星團的壽命可達10億,100億甚至更高,取決於它的最初質量和含有雙星系統的數目。

計算表明星團中如果有5%到10%的星體是雙星就足以使星團通過以上描述的蒸發過程從而避免星團的坍縮。理論預測當星團核心坍縮時蒸發過程應該很快使核心反彈,從而避免星團的坍縮,因此我們應該觀測不到這種坍縮的系統。但是在銀河系星團中天文學家們觀察到了為數眾多的星團核心坍縮的例子,觀測發現大約有20%的銀河星團發生了核心的坍縮。因此觀測和理論預測在這裏發生了嚴重的衝突,至今仍然沒有一個物理理論對這種核心坍縮給出令人信服的解釋。

球形星團給天文學家研究星體在密集狀態的行為提供了一個機會,其中星體的不尋常活動對天文學家來說也充滿了神秘。

參考資料:
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/299/5603/60







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