探秘恆星誕生地
星團演化理論
星團一生的秘密
所有的恆星都是成群形成的，但隨後會慢慢四散開去。一個新的理論正試圖解釋這些恆星集群是如何形成和瓦解的，抑或在罕見的情形下它們又是如何維持數億年的。
撰文 史蒂文•W•斯塔勒(Steven W. Stahler)
翻譯 謝懿
夜空是星星的領地。在每一個方向上，明暗不同的恆星充滿天際。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，大多數的恆星彼此之間並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。每一顆恆星其實都誕生於一個恆星集群之中，周圍簇擁著日後會漸行漸遠的、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“恆星育嬰室”至今仍有一些存在，它們被稱為星團。獵戶星雲的星團也許是其中最著名的：在哈勃望遠鏡下，獵戶星雲星團的恆星在朦朧的塵埃和氣體雲中閃閃發光。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恆星的集合。一些星團非常年輕——年齡只有幾百萬年，其些則誕生於宇宙創生初期。在它們之中，我們能找到處於恆星生命周期任意階段的恆星。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恆星演化理論的主要證據。恆星演化理論是20世紀天體物理學的偉大成果之一。
然而，我們對於星團自身的內部機制和演化卻所知甚少。該如何解釋我們觀測到的星團的多樣性？我們對單顆恆星可謂知之甚多，而對形成它們的搖籃卻知之甚少。
20年前，我第一次遇到了這種具有諷刺意味的情形，當時我正和意大利阿切特裡天體物理觀測台(位於佛羅倫薩)的弗朗西斯科•帕拉(Francesco Palla)合作，著手撰寫一本有關恆星形成的研究生教科書。那時，我們兩人會定期來往於加利福尼亞州伯克利市和佛羅倫薩之間。當我們跟蹤這個廣袤領域的許多研究分支時，有關星團的未解之謎一直潛藏在我們的思緒中。
一個下午，當我們在伯克利喝咖啡時，我突然有了一個念頭。無論年齡和大小，也許相同的物理機制控制著所有的星團，也許一個簡單變量就能解釋這些機制作用在星團上的方式——這個變量就是每個星團的母星雲的質量。為了證實我的想法，此後幾十年，我把大部分時間都用在了收集證據上。
恆星誕生地
當我開始這一研究工作時，對於恆星如何形成，以及它們形成於什麼類型的星團裡，天文學家已經有了很深入的了解。恆星並非成形於真空，它們形成於巨大星雲中，這些星雲主要由氫分子和其他元素以及少量塵埃構成。這些星雲散布於所有的星系中，每一個都會產生引力——不僅作用於恆星和星雲之外的其他天體，還作用於星雲自身之中的區域。由於星雲自身的引力，那些氣體和塵埃特別稠密的區域會坍縮成原恆星(protostar)。通過這種方式，由幾十到數千顆恆星組成的星團便可以在星雲中孕育而生。
依據年齡，以及恆星的數目和密度，星團通常可分為5種類型。最年輕的恆星集群被稱為內埋星團(embedded cluster)，位於濃密的星雲中，因而在這種星團中，恆星發出的可見光完全被遮擋，我們只能看到被恆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——這是一個永恆的謎題。
相比之下，球狀星團(globular cluster)則是最古老、成員最多的恆星集群。球狀星團的年齡可以追溯到宇宙初期，它們可以將多達100萬顆的恆星極為緊密地包裹在一起。這些成熟星團的母星雲已經消失，其中的恆星清晰可見。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。於是，為了有可操作性，我把研究目標限定在了3類星團上，這3類星團位於銀河系銀盤的平面上，因此最好觀測。恆星分布最稀疏的那種星團叫做T星協(T association)，因為它主要由最常見的年輕恆星——金牛T星組成。(太陽在“年幼”時也屬於金牛T星。)每一個T星協都包含有多達幾百顆這樣的恆星，但並未被母星雲完全遮蔽。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星協中母星雲的質量要遠大於其中恆星質量的總和。我想，這一特征可以解釋，這些星團為什麼壽命較短。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，母星雲的質量遠大於其成員恆星的總質量，那麼這個母星雲的引力——而非恆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。如果這個母星雲消散了，恆星就會四散開去。天文學家認為，是恆星風(stellar wind，由恆星表面向外噴射出的有力氣流)最終吹散了T星協的母星雲，釋放出了先前被束縛在一起的這些恆星。
銀河系中，另一類容易觀測的恆星集群被稱為OB星協，這個名字來自其中的兩種特別的恆星，即宇宙中最明亮且質量最大的O型和B型恆星。通常來說，OB星協所含恆星的數目大約是T星協的10倍，其中還有少量O型和B型恆星。獵戶星雲星團就是一個為人所熟知的例子：它位於約1 500光年之外，由4顆大質量恆星和約2 000顆低質量恆星組成，也包括了許多金牛T星。 在銀河系中，獵戶星雲星團是距離我們較近的區域裡恆星密度最高的(獵戶星雲距離地球約1500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雲形成。然而，盡管這些系統有著極強的引力，但較年老的OB星協中，恆星卻不是逐漸分散的，而是高速地衝向宇宙空間。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，恆星間的距離變遠了。
這種快速擴散的原因之一是，這些恆星一開始就運動得很快。OB星協母星雲的極端引力驅使著其中的恆星高速運動。年輕的OB星協裡充滿了高速運動的恆星，它們已經為母星雲消散後逃出星團做好了准備。另外，在O型和B型恆星的短暫壽命中，它們會發出強烈的紫外輻射，把OB星協的母星雲籠罩其中。和太陽一樣，這些恆星也是由核聚變驅動，但它們燃燒得更迅猛得。例如，一顆典型O型恆星的質量是太陽的30倍，而它耗盡燃料只需要幾百萬年的時間。
在這一自我犧牲的過程中，這些恆星會發出強勁的紫外輻射，後者會電離周圍的氣體——效果上等同於點著了母星雲。獵戶星雲星團中，塵埃和氣體正是在這一電離作用下發光。隨著母星雲燒盡，引力就會減校當大質量恆星最終死去，且母星雲也消散時，該系統的引力就無法再束縛質量較小的高速恆星，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，更為少見的第三類恆星集群卻極其穩定。它們被稱為疏散星團(相對於球狀星團)，擁有約1 000顆普通恆星，可以持續存在數億年甚至數十億年。而它們的星雲和引力則早已消失。
昴星團就是一個疏散星團。它的年齡為1.25億年，其母星雲在1.2億多年前可能就已消散。在天空中，距離昴星團不遠處是同樣著名的畢星團，其年齡為6.3億年。在銀河系的外圍還有幾十個年齡甚至更大的疏散星團。由1 000顆恆星組成的疏散星團M67則形成於40億年前。
就算是疏散星團也不是不朽的，因為鮮有比M67年齡更大的疏散星團。天文學家相信，最終，當它們與其他星雲近距離交會時，星雲的引力會撕開並瓦解這些系統。不過，疏散星團仍有一個令人頭痛的問題。在過去幾十年裡，科學家基本上弄清楚了，母星雲消散是如何導致T和OB星協解體的，但是他們卻無法回答，為什麼疏散星團中的恆星能在母星雲消散的情況下，仍維系在一起好幾百萬年。
收縮與膨脹
當撰寫有關恆星形成的教科書時，我有充分的理由來思考星團的多樣性。我把疏散星團的謎題視為是一系列更大問題的一部分：為什麼銀河系只存在有限種類的星團？星雲是如何“決定”它要制造何種星團的？
我考慮了在星團中起作用的各種機制。彙總到一起，我研究的這3類星團的生命階段，都指向了兩個相互對立的過程：由母星雲引力導致的收縮，以及由恆星風和輻射電離所推動的膨脹。每一個可以孕育恆星的星雲，都會在不同程度上遵從這兩種相反的作用。在T星協和OB星協中，膨脹最終獲勝。在疏散星團中，膨脹和收縮似乎處於平衡狀態，至少在恆星形成的關鍵時期是如此。
我推斷，星雲中各種力的平衡決定了它自己，以及它產生的星團的命運。而且我懷疑，這一平衡的關鍵也許就在於母星雲的初始質量。正如我已經解釋過的，星雲的質量無疑決定了它的引力，星雲的引力又決定了收縮的速率。另外，星雲的質量還決定了它可產生的恆星的數量。例如，一個低質量的星雲會收縮得較慢，密度緩慢升高，只形成少量的普通恆星。之後，這些恆星的恆星風會逐漸吹散該星雲，將收縮的趨勢逆轉，釋放恆星。這一過程與今天在T星協中觀測到的相符。
而在另一個極端，質量大一個量級的星雲則會經歷快速收縮，在小範圍內形成許多新的恆星。最終，這些星雲核心區域的密度會非常大，以至於只會形成少量的大質量恆星。之後，如我們在OB星協中所看到的，這些大質量恆星發出的強勁輻射會很快吹散該星雲，其中高速運動的恆星則會向外運動。
最終，似乎存在這樣一種可能性：在質量適中的星雲裡，這兩種效應會彼此平衡，這些星雲收縮的速率和質量流失率相同。結果，這個星雲會不斷制造出緊密聚集的年輕恆星，但不會制造出大質量恆星。即便星風吹散了星雲，相互靠近的恆星間的引力，也足以在很長的時間裡束縛住彼此，正如疏散星團一樣。