恒星如何形成和演化?天文学家怎么给星星定年龄?恒星的舞蹈(自转)怎样改变一颗恒星的命运,它又将如何解释长期困扰天文学家们的星团形成之谜?
宇宙,星光璀璨。那些耀眼夺目的恒星,它们从何而来?现代恒星理论认为,恒星是由漂浮在宇宙中冰冷而巨大的分子云坍塌形成的。分子云由于引力不稳定性,会朝某处高密度的区域坍塌,坍塌过程中气体分子挤压碰撞、相互摩擦,导致温度逐渐升高,最终核心温度升高到氢分子云内部开始核聚变反应,一颗新的恒星就诞生了。
恒星一旦诞生,高温会使其内部产生朝外扩张的气压,足以抵消恒星自身强大的重力,这时恒星进入一个稳定阶段,叫做主序阶段,这一阶段会占据一颗恒星毕生90%以上的时间。这样的恒星叫主序星,根据质量的不同,主序星能够稳定地存在几百万年到上千亿年。我们的太阳就处在这一阶段,她发出的光孕育了地球上丰富多彩的生命。
早在上个世纪,天文学家就发现,质量越大的主序星,亮度越高,颜色也越蓝,根据恒星理论,恒星的表观颜色反映的是它们的表面温度,因此颜色越蓝的恒星,表面温度也越高。如果以主序星的颜色(表面温度)和亮度为坐标绘制成一张二维分布图,那么所有主序星会斜穿这张二维图,分布在一条从亮且蓝到暗且红方向的带上,这条带叫做主序带。
然而,恒星内部的核聚变不能无限持续,但是引力却一直持续。当内核的氢元素燃烧殆尽时,恒星的核心熄灭,引力将再次取得胜利,新一轮的坍塌又将开始。这时,坍塌再一次使得恒星内核升温,虽不足以点燃已经转变为氦的核心,却能让核心外围的氢燃烧起来,这时恒星开始膨胀,颜色也会逐渐变红,恒星离开主序带。此时恒星的由于体积显著大于主序星,称之为巨星。
大质量的恒星更亮,意味着内部核反应速率更快,但同时它们拥有的氢元素也更多。与小质量恒星相比,它们的主序寿命是更长还是更短呢?理论计算发现,随着质量增加,恒星内部的核反应速率增加的速度更快,这就意味着质量越大的恒星主序寿命反而越短。
该怎样检验这一理论是否正确呢?一个办法是比较一批同时形成,而质量各不相同的恒星,在天文学上也叫做“简单星族”或“单星族”恒星。
单星族在颜色亮度分布图上十分简单:首先,它们由于质量的不同会形成一条主序带,由于大质量的恒星主序寿命更短,随着时间的推移,恒星将会按照质量从大到小的顺序陆续离开主序带,这时主序带将出现一个拐点,单星族的主序拐点对应的亮度会随着时间演化逐渐降低。通过观察主序拐点在颜色亮度分布图上的位置,人们就能够推断这批单星族是什么时候形成的。
宇宙中存在单星族吗?天文学家们认为星团里的恒星或许比较接近单星族。星团是由几十颗甚至上百万颗恒星组成的引力系统,由于宇宙中分子云的质量往往是太阳质量的几千到几千万倍,因此分子云坍塌时总是成团地形成大量恒星,一直以来,天文学家们相信这些星团中的恒星几乎都是同时形成的,这是因为最初形成的恒星会立刻将残余的气体吹走,阻止气体云继续形成恒星。
对年轻星团的观测与单星族模型一直吻合得很好,绝大部分年轻星团不论质量多大,均未发现明显的气体残留。然而最近问题出现了,天文学家们观测南半球的两个卫星星系——大小麦哲伦云星系时发现,它们的绝大部分年轻星团不存在清楚的主序拐点。
为了解决这一矛盾,2009年,来自英国和荷兰的两名学者提出,我们观测到的宽敞主序转折区域或许源于恒星自转的引力昏暗效应。引力昏暗效应指的是高速自转恒星由于离心力抵消掉了部分自身重力,使得恒星内部的核反应速率下降,导致恒星表观亮度和温度双双降低的现象。
除了星团主序拐点可能受到恒星自转影响外,年老球状星团中的著名多星族问题也可能部分源于恒星自转。对大量球状星团的观测表明,其恒星表面的化学成分差异远远大于同一片分子云的差异,暗示着一部分恒星或许形成于新的气体云。然而,现在我们知道,高速自转可以增强恒星内部的对流,使得恒星内部如同沸腾的开水一般将核心物质搬运到表面,从而导致我们测得恒星表面的化学性质出现变化。