在宇宙中,恒星之间的距离非常远,留下一个巨大的真空的区域。然而,仍然会有一些恒星聚集在一起形成一个巨大的天体结构——星团。
顾名思义,星团是由恒星组成的星团,比星系小得多,但恒星密度非常高。天文学家根据形状将星团分为球状星团和开放星团。
根据科学家目前的观察,银河系中有160个球状星团。通常我们认为球状星团拥有最古老的恒星,其中大部分是和银河系一起形成的,代表了银河系最古老的历史。
然而,最近的研究表明,我们可能对球状星团有一些误解,一些球状星团也有许多年轻的恒星。更令人惊讶的是,许多球状星团甚至可能是被银河系吞没的矮星系的星系核!科学家因此提出了一个问题:球状星团是如何形成的?
(图片说明:哈勃空望远镜拍摄的球状星团的M2图像)
由于球状星团通常比开放星团大,科学家们一直认为球状星团的形成需要一些特殊的环境,如极其稠密的星际尘埃等等。然而,实际观测表明,大型星系往往有大量的球状星团,所以球状星团的形成应该不是那么困难。理论和实践的对立一直困扰着科学家。
一些科学家用计算机模拟了球状星团的形成过程。结果表明,充足的原料确实更有利于球状星团的形成。这里提到的原材料是分子云。
分子云是一种星际云,其中物质非常稠密,允许形成分子,分子是天体的基础。起初,我们的太阳系来自一个星云的崩溃。为了模拟球状星团的外观,科学家们模拟了银河系中最大的分子云,以观察这些质量是太阳几千万倍的分子云会产生什么样的产物。
模拟开始后,星际气体很快就坍缩成丝状结构。这些气体细丝就像管道一样,将物质输送到中心附近的密集区域。最密集的区域有最多的恒星,这也是大质量星团形成的地方。
同时,在分子云的边缘,有一些较小的星团。然而,它们不能单独存在很长时间。大约500万年后,它们将全部融合在一起形成更大的星团。模拟显示,最终形成的星团只有一半来自星际气体的坍缩,而另一半来自小星团的合并。
在星团的形成过程中,一个不可忽视的因素是大质量恒星所扮演的角色。这些天体非常暴力,会把梯子踢倒。在消耗了大量原材料形成巨大的身体后,他们开始用猛烈的恒星风将周围的物质吹走。与此同时,当一颗恒星被“点燃”时,它会迅速升高周围的温度,导致周围的气体受热膨胀,冷时收缩。分子云中少量较重的元素具有较好的吸热效果,加速了这一过程。所有这些因素都会阻止恒星进一步成长。
为此,科学家们在不同的条件下进行了两组模拟。条件之一是将模型中的重元素与我们在宇宙中观察到的数据相匹配,也就是说,模拟当前的宇宙条件。另一个条件是将重元素的含量减少到1/10,这可以模拟相对早期的宇宙——我们知道重元素是在恒星死亡后形成的,所以早期宇宙自然包含的重元素比现在少。这也意味着,如果我们观察宇宙深处的球状星团,我们会发现它们比附近的球状星团大,因为它们形成得更早。
(图片说明:科学家模拟分子云坍缩成团的过程,左边是现代宇宙的数据,左边是古代宇宙的模型)
结果表明,由重元素较多的模型产生的恒星确实比由另一个模型产生的恒星小,这符合科学家的理论,即消除重元素会加速氢和氦的膨胀,从而阻止恒星继续增长。然而,令他们惊讶的是,这些重元素似乎并没有发挥如此大的作用。现代宇宙模型产生的星团质量是太阳的20万倍,而另一个模型的质量是太阳的80万倍。两者之间的差异只有4倍,比科学家想象的要小得多。
除了用大分子云建模,他们也用小分子云建模。结果也完全符合预期:形成的球状星团相对较小。
当然,这不是最终目标。科学家想要发现的是两者之间的规律。模拟结果表明,模型中的分子云质量与模拟结果中的球状星团质量之间存在简单的线性关系,说明球状星团的形成受分子云质量的影响很大,其他因素影响很小。要形成大型球状星团,只要原料充足,并不像想象的那么困难。
球状星团是宇宙中最早的恒星集合之一。它们出现在宇宙只有10岁的时候,记录了宇宙的历史。与此同时,许多科学家认为许多球状星团可能是中等质量黑洞的摇篮,这些黑洞仍然非常神秘,科学家们对此知之甚少。
目前,我们已经发现非常少的球状星团。科学家将继续观察和寻找更多的球状星团。也许下一代望远镜詹姆斯·韦伯会给我们一些帮助,但是考虑到它的繁重任务,恐怕这项工作会耽搁很长时间。
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