陳厚尊

從天文學(xué)史的角度看，人們真正發(fā)現(xiàn)球狀星團(tuán)這類(lèi)深空天體的存在，應(yīng)當(dāng)是在天文望遠(yuǎn)鏡被發(fā)明以后。這主要是因?yàn)榍驙钚菆F(tuán)普遍距離地球很遠(yuǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，離地球最近的兩個(gè)球狀星團(tuán)是NGC6397和M4，它們到地球的距離均為7200光年。相比之下，離地球較近的一個(gè)疏散星團(tuán)樣本——畢星團(tuán)——的距離是150光年。之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的差別，主要是因?yàn)閮烧叩姆植挤秶煌?。疏散星團(tuán)傾向于分布在星系的盤(pán)面上，對(duì)銀河系而言就是銀道面附近；而球狀星團(tuán)的分布沒(méi)有明顯的偏向，基本上是以星系的核心為中心，呈球形均勻分布，且分布范圍廣大，可延伸到數(shù)倍于星系盤(pán)面的地方。

歷史上第一個(gè)被天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的球狀星團(tuán)是M22，它位于銀心附近的人馬座，是北天能看到的最大、最明亮的一個(gè)球狀星團(tuán)；第二個(gè)被發(fā)現(xiàn)的是位于南天的大球狀星團(tuán)——半人馬座Ω星團(tuán)。這是全天最明亮的球狀星團(tuán)，視星等達(dá)3.9等，裸眼清晰可見(jiàn)。只是不借助望遠(yuǎn)鏡的話(huà)看起來(lái)像是一顆星，所以按照拜耳命名法，它被編為半人馬座Ω星。后續(xù)被發(fā)現(xiàn)的球狀星團(tuán)還有巨蛇座的M5、武仙座的M13、天箭座的M71、天蝎座的M4和飛馬座的M15等等。實(shí)際上，在靠近南天極的小麥哲倫星云旁邊，還藏著一顆裸眼可見(jiàn)的大球狀星團(tuán)——杜鵑座47，視星等達(dá)4.1等，初看起來(lái)也是一顆星的模樣。

在小型天文望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)里，球狀星團(tuán)的外觀(guān)一般呈規(guī)則的球形或橢球形。它們會(huì)在一定的軌道上圍繞星系核心運(yùn)轉(zhuǎn)，像是衛(wèi)星星系那樣。相對(duì)其他類(lèi)型深空天體，球狀星團(tuán)的外觀(guān)比較單調(diào)，除非是經(jīng)常觀(guān)測(cè)的熟手，否則，大部分球狀星團(tuán)初看起來(lái)都長(zhǎng)得差不多。但是，樸素的外觀(guān)并不意味著它們是一類(lèi)簡(jiǎn)單的天體。在球狀星團(tuán)身上藏著許許多多至今都沒(méi)有明確解釋的謎團(tuán)。下面我們一一道來(lái)。

球狀星團(tuán)何以如此穩(wěn)定？

球狀星團(tuán)的穩(wěn)定性是毋庸置疑的，幾乎每個(gè)星系都有大量的球狀星團(tuán)相伴環(huán)繞。以銀河系為例，天文學(xué)家猜測(cè)至少有200個(gè)球狀星團(tuán)圍繞銀心運(yùn)轉(zhuǎn)。目前已發(fā)現(xiàn)的約有150個(gè)，剩余的都被銀心遮擋，難以發(fā)現(xiàn)。銀河系的近鄰——仙女座大星系M31——約包含460個(gè)球狀星團(tuán)。這些星團(tuán)中質(zhì)量最大的被命名為馬亞爾II，綽號(hào)G1（Globular One），是本星系群（本星系群是指以銀河系為中心，半徑約為百萬(wàn)秒差距，也就是300多萬(wàn)光年的空間內(nèi)的星系之總稱(chēng)。也有人把本星系群的中心定義為銀河系和仙女星系的公共重心）中最明亮的球狀星團(tuán)之一，規(guī)模是半人馬座Ω的2倍。G1擁有數(shù)百萬(wàn)顆恒星，星族構(gòu)成極為復(fù)雜。而對(duì)某些富星系團(tuán)中心的cD星系（巨橢圓星系）而言，圍繞其核心運(yùn)轉(zhuǎn)的球狀星團(tuán)成員可能多達(dá)1萬(wàn)多個(gè)。

根據(jù)天體力學(xué)的知識(shí)我們知道，當(dāng)有三個(gè)，或超過(guò)三個(gè)天體只在萬(wàn)有引力的支配下運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，其演化結(jié)果往往是不穩(wěn)定的，運(yùn)動(dòng)方程容易出現(xiàn)奇點(diǎn)——要么有天體被甩出系統(tǒng)，要么發(fā)生天體撞擊，回到更穩(wěn)定的二體系統(tǒng)。但是，當(dāng)N體系統(tǒng)的成員數(shù)上調(diào)到幾萬(wàn)或幾十萬(wàn)的時(shí)候，穩(wěn)定性又神秘地回來(lái)了。其背后機(jī)理為何，目前仍不得而知。但是，球狀星團(tuán)的這種穩(wěn)定狀態(tài)卻可以借用理想氣體的熱力學(xué)理論來(lái)描述，其中的恒星可類(lèi)比為氣體分子，恒星與恒星間的角動(dòng)量交換可類(lèi)比為氣體分子間頻繁的碰撞。如此類(lèi)比是合理的，因?yàn)榍驙钚菆F(tuán)的內(nèi)部雖然擁擠不堪，但恒星間發(fā)生直接擦碰的概率很低，更多的是在非常近的距離上交換軌道角動(dòng)量，比如兩顆恒星在幾十或上百個(gè)天文單位的距離上“擦肩而過(guò)”。根據(jù)熱力學(xué)理論，當(dāng)理想氣體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)候，氣體分子具有的速度遵從麥克斯韋分布，在高能端有一個(gè)“尾巴”。與此類(lèi)似，球狀星團(tuán)成員星的速度也會(huì)遵從類(lèi)似麥克斯韋分布的模式，產(chǎn)生一個(gè)“高能的尾巴”。一旦這條“尾巴”越過(guò)了零線(xiàn)，就會(huì)有成員星逃逸出星團(tuán)（或者說(shuō)運(yùn)動(dòng)方程出現(xiàn)奇點(diǎn)，恒星被甩出星團(tuán)），就像液體緩慢蒸發(fā)那樣。如此一來(lái)，球狀星團(tuán)系統(tǒng)整體的能量就會(huì)下降，核心會(huì)愈發(fā)緊實(shí)和穩(wěn)定。因此，年老的球狀星團(tuán)的核心更加凝聚，年輕的球狀星團(tuán)的核心則相對(duì)松散些。

球狀星團(tuán)何以如此古老？

相較于疏散星團(tuán)等其他類(lèi)型的深空天體，球狀星團(tuán)的年齡普遍非常古老。許多球狀星團(tuán)的誕生時(shí)間都只比宇宙大爆炸晚幾億年。歷史上，天文學(xué)家甚至曾用球狀星團(tuán)的年齡上限來(lái)限定宇宙的年齡范圍。但也不是所有的球狀星團(tuán)都很古老，比如大麥哲倫星系中的球狀星團(tuán)NGC1783，以及小麥哲倫星云的球狀星團(tuán)NGC411，它們的成員星年齡只有14億年，是相對(duì)較年輕的球狀星團(tuán)。

即便如此，還是有天文學(xué)家猜測(cè)，也許早期宇宙的環(huán)境更適宜球狀星團(tuán)的形成，所以才會(huì)有那么多古老的球狀星團(tuán)存活至今。他們的主要論據(jù)是“宇宙的等級(jí)成團(tuán)理論”。該理論指出，宇宙中的成團(tuán)結(jié)構(gòu)是從小到大發(fā)展起來(lái)的，即先有恒星，后有星團(tuán)，再有星系，最后是星系團(tuán)和超星系團(tuán)。但是，宇宙的等級(jí)成團(tuán)理論是建立在暗物質(zhì)暈（Dark Matter Halo）并合基礎(chǔ)上的，我們后面會(huì)提到，球狀星團(tuán)的周?chē)淮嬖谙裥窍抵車(chē)菢拥陌滴镔|(zhì)暈。但也有另一種可能，就是球狀星團(tuán)的周?chē)臼怯邪滴镔|(zhì)的，只是很快就被宿主星系所在的暗物質(zhì)暈剝離吞噬掉了。究竟孰是孰非，又是一大謎題。

球狀星團(tuán)是被吞并的星系殘留的核心嗎？

這是一個(gè)非常有意思的問(wèn)題。歷史上也曾有許多天文學(xué)家論證過(guò)這種可能性。目前的主流看法是：一部分球狀星團(tuán)的來(lái)源有可能是被主星系吞并的衛(wèi)星星系核心，但并非所有球狀星團(tuán)都是這么來(lái)的。許多方法都可以用來(lái)區(qū)分這兩種來(lái)源的球狀星團(tuán)，其中最常用的是星族法，也就是判斷球狀星團(tuán)的星族成分；或者是在球狀星團(tuán)的軌道附近尋找有動(dòng)力學(xué)聯(lián)系的星流。

星族的概念最早由德國(guó)天文學(xué)家沃爾特·巴德于1944年提出，最初指的是銀河系內(nèi)具有不同年齡、空間分布、金屬豐度的恒星集合，后來(lái)推廣到其他星系的恒星。根據(jù)巴德的分類(lèi)，太陽(yáng)等位于銀盤(pán)上的恒星屬于較年輕的星族Ⅰ恒星，具有較高的金屬豐度，速度彌散較??；而銀河系核球、球狀星團(tuán)內(nèi)的恒星多為星族Ⅱ恒星，其特點(diǎn)是年齡較古老，具有較低的金屬豐度，速度彌散很大。理論上還存在一種所謂的星族Ⅲ恒星，它們是宇宙大爆炸后誕生的第一代恒星，具有幾乎為零的金屬豐度，以及較大的質(zhì)量和光度。星族Ⅲ天體的光芒最終照亮了宇宙的黑暗時(shí)代。根據(jù)星族的劃分我們不難看出，假如球狀星團(tuán)的成員星都誕生于同一時(shí)刻，那么，其中的恒星必然具有相似的年齡，我們可以通過(guò)觀(guān)察星團(tuán)成員在赫羅圖（赫羅圖是表征恒星光譜類(lèi)型與光度的關(guān)系圖，其縱軸是光度與絕對(duì)星等，橫軸則是光譜類(lèi)型及恒星的表面溫度，從左向右遞減。赫羅圖是研究恒星演化的重要工具，是以發(fā)現(xiàn)它的兩位天文學(xué)家——丹麥天文學(xué)家赫茨普龍和美國(guó)天文學(xué)家羅素——的名字命名的）上的“拐點(diǎn)”，來(lái)判讀星團(tuán)的年齡。假如球狀星團(tuán)來(lái)自被吞并的星系核心，那么它的星族構(gòu)成就會(huì)非常復(fù)雜，我們也就不能在赫羅圖上看到明顯的拐點(diǎn)。

另外，當(dāng)一個(gè)小星系被大星系吞并的時(shí)候，由于潮汐力的作用，會(huì)有一部分小星系的成員被拉出來(lái)，散布于小星系的軌道前后。這種結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為“潮汐尾”。假如有證據(jù)證明某個(gè)球狀星團(tuán)與某星流是動(dòng)力學(xué)相關(guān)的，當(dāng)然也能證明星團(tuán)的前身很可能是個(gè)星系。

球狀星團(tuán)的核心有黑洞嗎？周?chē)邪滴镔|(zhì)嗎？

天文學(xué)家普遍相信，球狀星團(tuán)的中心很可能存在一些中等質(zhì)量的黑洞，但是，要找到它們需要望遠(yuǎn)鏡有足夠的分辨力。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，天文學(xué)家就在做這方面的努力，直到哈勃空間望遠(yuǎn)鏡升空以后，才陸續(xù)在一些球狀星團(tuán)中找到黑洞存在的切實(shí)證據(jù)。比如在M15中，天文學(xué)家就定位到了一個(gè)相當(dāng)于太陽(yáng)質(zhì)量4000倍的中等質(zhì)量黑洞；而在仙女座大星系的球狀星團(tuán)G1中，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于太陽(yáng)20000倍的黑洞！這些黑洞的存在是令人感興趣的，因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)量介于恒星級(jí)黑洞（十幾個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量）和超大質(zhì)量黑洞（百萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量）之間，是兩種黑洞演化的中間狀態(tài)。

另外，我們知道，星系的周?chē)毡橛幸粋€(gè)彌漫范圍大得多的暗物質(zhì)暈（也有暗物質(zhì)稀少的特例存在，比如前段時(shí)間被高度關(guān)注的NGC1052DF-2星系就是如此），但是極少有證據(jù)證明球狀星團(tuán)的周?chē)灿蓄?lèi)似的暗物質(zhì)暈。理論上，暗物質(zhì)組分比較高的球狀星團(tuán)被稱(chēng)為暗球狀星團(tuán)（Dark Globular Cluster）。近年來(lái)，一些關(guān)于半人馬座α星系的研究表明，環(huán)繞它運(yùn)轉(zhuǎn)的球狀星團(tuán)的運(yùn)動(dòng)特性與銀河系的不同，可能有一些屬于暗球狀星團(tuán)。也許不久的將來(lái)，相關(guān)的研究就會(huì)改寫(xiě)我們關(guān)于球狀星團(tuán)形成與演化歷史的認(rèn)知。