这篇文章从一个看起来有点“反常识”的现象讲起：同一个星团里、按理说差不多同时诞生的一群恒星，在颜色－亮度图上并没有乖乖排成一条细线，而是变成一条被“拉宽”的主序，甚至在拐弯处整片糊开，看上去好像里面混进了一大批“年龄差了几亿年”的学长学弟。在整理相关观测和模型的基础上，我们重点介绍现在越来越被支持的一种解释思路：这些恒星并不是真的年龄相差巨大，而是自转速度快慢不同，会系统性地影响它们的颜色和亮度，让它们在图上看起来像是处在“不同年龄段”，从而制造出一种很有迷惑性的“伪年龄差”。这个看似只发生在图上的“小怪事”，实际上逼着天文学家重新审视把星团当作“同龄样本”的传统假设，也帮助我们更细致地理解恒星内部结构、自转和能量传输之间的关系，为今后用星团来测宇宙时间、研究星系演化等问题提供了一个更可靠、也更接近真实物理过程的参考框架。

中文标题：星团佯谬，为什么同时形成的恒星看起来像差了几亿岁？

英文原题：Extended main sequences in star clusters

通讯作者：李程远，中山大学

关键词：星团；展宽主序；主序转折；恒星自转；恒星演化

背景介绍

哪怕面对同一颗恒星，我们也常会问：它为什么这么亮？它为什么这么蓝或这么红？原因可能有很多：质量不同、出生早晚不同、内部“杂质”（重元素）含量不同……在真实宇宙里，这些因素往往一起变化，很难判断谁在起关键作用。天文学家一直希望找到一种“条件尽量单纯”的样本，用来研究恒星一生的变化。星团就是这样的对象。星团是一大群恒星组成的“恒星家族”，为什么说星团简单呢？这是因为星团里的大多数成员都是来自同一团星际气体，在很短时间里形成。因此星团中的恒星几乎“同龄”，金属丰度也接近。天文学里说的“金属丰度”，其实指氢和氦以外所有元素（如氧、碳、铁等）的丰度——简单讲，就是“重元素杂质”多少。

有了年龄和成分“都差不多”的恒星，研究者就可以关注“质量不同”这一个变量，这也是星团被称为理想实验室的原因。

赫罗图：相同年龄的恒星为何构成了不一样的主序？

赫罗图是研究恒星物理的最有力工具之一，它是恒星分布图，横轴为颜色，纵轴为亮度。“主序”是恒星稳定燃烧氢时所在的那条斜线。理论上，一个“理想”星团里的恒星应在赫罗图上排成又细又直的一条主序线，主序顶部是主序转折点。然而观测发现，许多星团的主序上部和主序转折已不是“细线”，而是一条宽带，甚至出现两条分支（见图1）。

一开始大家以为，这是不是星团分很多批慢慢形成的结果？但事实并非如此：星团里的气体在几百万年内就会被大质量恒星吹散，很难支撑几亿年的多轮恒星形成，并且对更年轻星团的调查表明，其中并没有发现年轻恒星“后备军”，在年老星团当中主序以外的演化分支反而很窄，表明它们之间确实不存在年龄差异。

最新研究发现，恒星的自转是关键。快速自转会让恒星赤道变暗变冷，两极更亮更热；自转还能搅拌内部，让燃料燃烧更慢。自转速度分布差异，正好可以让赫罗图上本应排成一线的恒星“抹开”，出现看似不同年龄的宽带或分叉。高分辨率观测已证实：主序红侧是自转极快的恒星，蓝侧是自转较慢的恒星（见图1）。

展宽主序背后揭示了什么？

展宽主序和主序转折带出许多前沿话题：自转对恒星内部结构的影响、恒星磁场“刹车”、双星并合和极端天体起源、星系环境如何影响恒星出生时的自转。未来的大视场望远镜将帮助我们在更广泛的星团中追踪这种现象，让展宽主序成为理解恒星、星团乃至星系形成历史的重要钥匙。

引用本文

Chengyuan Li, Antonino P. Milone, Weijia Sun, et al. Extended main sequences in star clusters. Fundamental Research. 5(6) (2025) 2474-2488.

原文链接（复制到浏览器中查看）：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325824000050

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