为什么一个球状星团不会因为恒星的相互引力作用而坍缩成一个单一的天体呢?
球状星团是宇宙中古老的恒星集合
球状星团是一种奇怪的恒星集合,其中心并没有类似于我们太阳系的大质量天体,或者像星系中心那样的大黑洞。相反它们是由大量恒星组成的非常古老的星团,平均大约有几十万颗恒星,星团围绕着星系的边缘运行,呈球形分布。在银河系里已经发现了几百个球状星团,仙女座离我们最近的另一个大星系,已经发现了60多个。(仙女座星系可能更多,只是我们没有发现而已,因为有些星团不明亮,而且很小。)甚至一些银河系附近的小卫星星系也有自己的球状星团。
这个恒星群是M80 (NGC 6093),是银河系147个已知球状星团中密度最大的一个。
球状星团中的一些恒星非常古老,甚至与宇宙的年龄相当,因此确定一个星团的年龄可以帮助我们对宇宙的年龄提供一个限制。(如果某个球状星团的年龄已经存在了将近130亿年,那么宇宙的年龄就不可能比这个星团更年轻。)我们目前还不太清楚球状星团形成的条件,以及它们是如何存活这么久的。
上图显示了我们银河系中球状星团M4的位置,像M4这样的球状星团是银河系的第一批定居者。今天,有150个球状星团存活在星系晕中。
从星团的年龄就可以看出恒星集合相对稳定。它们不会在引力的作用下塌缩到一起,否则随着时间的推移,我们就不会看到那么多现存的球状星团。
那么它们是如何在一段时间内保持相对稳定的呢?
在基本的层面上,我们可能会认为,如果在太空中的一块区域内存在10万颗恒星,随着时间的推移,引力会把一切都拉在一起。
这张NASA/ESA哈勃太空望远镜拍摄的图片显示了一个紧密而遥远的球状星团,它位于夜空中最小的星座之一——海豚星座。
但是恒星也在运动。当一个物体有了动能,就可以暂时克服引力的作用。每颗恒星都在围绕球状星团中心的轨道上运行,恒星的侧向运动,加上引力的作用,形成了一个椭圆形的轨道,在相当长的一段时间内,恒星可以合理地、愉快地围绕球状星团中心旋转。因为这些恒星有足够的能量继续向前运动,所以引力无法将恒星拉到星团的中心。
这是一幅简化的图景,因为星团中10万多颗恒星中的每一颗都在做同样的事情,而且恒星的轨道实际上是随机的,这就是星团看起来是球形的原因。恒星的轨道没有那么完美,因此我们看到的星团更像是一个椭球体(从侧面看像一个椭圆星系),而非真正的球形。例如,椭圆星系会扰乱内部恒星的轨道,使它们看起来像是椭圆形的,但是椭圆星系包含的恒星比球状星团多数百万倍。如果一个集合的恒星是这种随机的配置而不是在一个圆盘上完美而有序地旋转,我们就称之为压力支持型集合,而不是旋转支持型。
压力支撑并不是在星团中有实际向外的推力,使恒星受到压力的支撑,而是因为恒星的随机运动,每一个轨道的重心都对引力起着抵抗作用。虽然不是有序的旋转,但仍然可以抵抗重力,这里的压力其实说的是离心力。(天文学家不善于给事物命名。)
上图由哈勃望远镜拍摄的球状星团名为“梅西耶54”,这个稠密而暗淡的恒星群实际上是在我们星系外发现的第一个球状星团。
球状星团虽说不会塌缩,但也会衰减
虽然这些恒星系统相当古老,相当稳定,但并不意味着它们不会随时间而改变,随着时间的推移,星团内确实会发生的一件事是,星团中的恒星会以引力的方式相互作用,慢慢靠近彼此。
这是因为星系团中并非所有恒星的质量都是相同的,所以它们相互作用的方式取决于它们的质量。如果这两颗恒星的质量大致相等,但其中一颗恒星的移动速度稍快,那么速度较快的那颗恒星就会向速度较慢的那颗恒星贡献一部分动能,最终这两颗恒星在交换能量后速度都会变得差不多。(没有要求它们必须朝同一方向运动。)然而,如果两颗恒星的质量差异非常大,在交换能量以后,质量较小的恒星将以更快的速度运动。动能等于质量乘以速度的平方,对于相同的能量,恒星质量越大意味着其速度越小,反之亦然。
因此随着时间的推移,大质量恒星的速度会减慢,而质量小恒星速度会加快。如果一颗恒星正在减速,那么引力就会起作用,把恒星拉下来,使其更靠近星团的核心。因此我们会看到一些球状星团在其中心聚集了所有高质量的恒星,而最轻的恒星则在外围快速移动。这种能量模式允许星系团从最重到最轻排序。这个最终结果称为“质量分离”。
上图显示的是一个球状星团称为NGC 104 或者杜鹃47;因为这个球状星团位于南部天空的杜鹃星座的一部分。
另一件可能引起球状星团变化的事情是,如果一个星团的轨道太靠近大质量星系的中心。那么由于星系的引力作用,星团将经历强烈的潮汐力。这种潮汐力可以分离星团的外层恒星(如果星团是一个质量分离的星团,这意味着它会失去最小的恒星)。星团外层的恒星被分离分离出来,并以非常快的速度逃离星团,形成一股长长的恒星流,因此一个星团就会留下一个密度更大的恒星核;至少有四个这样的球状星团存在于我们银河系的内部。
上图就是一个真正的太空流星,从星团中逃逸出来的恒星,距离地球420光年,其相对于星际介质移动得非常快,所以我们看到的尾巴来自恒星于星际气体和尘埃的摩擦造成的。
虽然球状星团不会坍缩,但可以想象的是,星团其实也不是非常稳定的,也会发生恒星逃逸,而最大质量的恒星会以最快的速度燃烧完燃料,在球状星团的中心区域形成中等质量的黑洞。另一方面,大质量恒星会形成质量小得多的黑洞,因此时间只要足够长,球状星团最终也会消失的。