为了让更多的人能明白，故事要从恒星说起。

恒星，当你接近这些庞然大物时，你可能会被它的壮观和咆哮吓退，但只要你冷静下来，你会发现它们其实是十分简单的东西：当它们还只是一团气体云时，由于某种外界扰动，气体在自身引力作用下开始坍塌，在坍塌过程中，气体分子变得致密且相互碰撞，温度不断升高，此时气体云释放引力能并且一部分转化成内能（拿一根绳子绑住一片钥匙，然后让钥匙拿着绳子从手掌滑落，当绳子摩擦到手掌时，你会感觉到热，这就是地球的引力能在转化成你手掌的内能），当温度升高到一定程度时，气体云内部的氢元素碰撞是如此剧烈，以至于它们发生了核聚变反应，此时一颗恒星就真正形成了，核聚变反应为恒星提供了能源，极高的温度让气体获得了向外的巨大压力（给一个不怎么大的气球加热，它会膨胀起来），恒星就是靠热核聚变维持内部的气压来抵抗自身引力获得平衡的。

然而，再多的氢气也总会有烧完的时候，当恒星内部核心的气体烧完，它的核心就得继续坍塌了（此时核心已经完全由氦元素组成了），同样的道理，核心的坍塌再次释放出巨大的引力能，这一引力能由不断加热周围的环境，使得恒星核心周围的氢元素开始燃烧，然而，氦核心由于温度还不够高，所以依然不能点燃，此时的恒星由一个坍塌的氦核心和稳定燃烧的氢包层组成。由于包层的氢元素燃烧更有效地增大了外层地气压，所以恒星的包层开始膨胀，这一膨胀就使得恒星的表面温度降低，在人们看来就是恒星变红了。

核心的氢元素燃烧时的恒星称为主序星，当核心氢元素即将燃烧完时，恒星开始变红，进入恒星的主序转折区，当恒星内部完全熄灭，内部的氦核持续坍塌，外部的包层稳定燃烧膨胀，恒星持续变红的阶段，称为恒星的亚巨星分支。恒星的主序——主序转折——亚巨星三个阶段是紧密的连接在一起的，它们在这个时期的亮度也会有微小的改变。如果把一颗恒星的亮度作为纵轴，颜色作为横轴，则下图的A-->B是恒星的主序阶段，B-->C是恒星的主序转折阶段，而C-->D是恒星的亚巨星分支阶段（在本文中只需要理解这三个阶段就足够了，故没有解释D到E的阶段，下同）。

早在100年以前，天文学家就发现，恒星的颜色和亮度并不是杂乱无章分布的，对于主序星，它们存在一个非常单调的关系，即质量越大的主序星，其亮度越高，颜色越蓝，因此主序星在亮度和颜色的图上会形成一条带，称作主序带：主序带实际上就是一条从 又亮又蓝 往 又暗又红 方向贯穿的质量带，当且仅当恒星内部核心不再燃烧时，恒星才离开主序带，它们开始进入转折点，往红端转折到亚巨星带上。下图展示了恒星作为一个集体时呈现的分布规律，斜穿整个图片的便是主序带，右边（红端）的恒星是已经离开主序进入转折点和亚巨星（及以后）分支的恒星。

而后来的恒星模型又发现，大质量的恒星不仅更亮更蓝，它们的寿命也更短（随着质量增长，它们消耗氢元素的速度增长得更快）， 于是一个很有意思的推论是，如果有一些恒星是同时形成的，那么它们中质量最大的恒星，也就是最蓝最亮的恒星总是先离开主序带，如果在某一时刻把这些恒星画在亮度和颜色的二维图上，人们会发现主序带仿佛被转折点切断了一样，比转折点更蓝的区域不会再有主序星，因为它们都演化完了。

那么，有没有这样一些同时形成的恒星的样本呢？

答案便是星团，一直以来，科学家们都相信星团中的恒星是同时形成的，这是一个大胆的假设，又被称为单星族假设，有意思的是，后来的计算机模拟和观测都支持这样的假设——星团中的恒星总是几乎同时从同一片分子云里诞生，在很短的时间内，分子云中的气体就全部转化成恒星了，而观测上发现，几乎所有的年轻星团都有一条狭窄的主序带和明显的转折点，伴随这转折点之后便是狭窄的亚巨星（及其以后）的分支，下图展示了年轻的星团NGC6791中恒星的亮度（纵轴）和颜色（横轴）分布图，我们可以发现主序带在对应着纵轴为17.5的地方发生了朝亚巨星分支的明显转移，而在这个拐点以上几乎没有任何恒星（一些稀疏的恒星分布在那里，是因为它们来源于不属于星团但叠在观测方向上的前景恒星的污染）。

随着越来越多的年轻星团被发现同样的性质，科学家们很兴奋，单星族假设虽然看起来简单粗暴，但貌似这么豪迈的一步竟然没有扯到蛋，直到有一天发现了下面这货：

这是著名的银河系球状星团Omega Centanri，好家伙，看看它的转折点比前面的NGC6791要壮观到哪去了。如果你仔细看，你会发现这个星团拥有不只一条主序，转折点也展宽得很厉害，而且不只一个，对应着的便是好几个亚巨星分支，看起来像是好几个单星族的星团画到同一副亮度颜色图上了。于是科学家们开始认为，其实星团也不那么单调，有的星团还是可以包含不同时候形成的恒星的，越来越多的这样的星团后来也被发现了，但它们拥有一个共同的特点，那就是都很老（大概和宇宙年龄一样大）。

那么问题来了，挖掘机 既然年轻的星团都是单星族，年老的星团都不是单星族，那到底从什么时候开始，星团中的恒星开始变得不是单星族呢。一个很自然的想法便是，找一些这样的星团看看不就完事了嘛！但很遗憾的是，银河系中貌似缺乏这样的星团（它们要么很年轻，要么就和宇宙一样老，为什么？那是另一个故事了），但我们邻近星系中倒是不乏这种中年星团（大概10亿到30亿年左右），于是人们开始观测我们邻近星系麦哲伦云的星团，结果发现它们的亮度颜色图是这样子的：

资深的星团天文学家一眼就发现，这种星团的转折点实在是太宽了，以至于和NGC6791那样的星团比起来，它们的亮度颜色分布像个高尔夫球棒。后来，越来越多的这样子的中年星团被发现具有同样的性质，天文学家沸腾了，一时吵得不可开交，相当一部分天文学家认为，这便是中年星团的恒星不是同时形成的证据，因为如果它们是同时形成的，它们的亮度颜色分布应该像NGC6791那样有一个狭窄的转折点，只有可能它们的恒星陆陆续续在接近3亿年的时间内形成，才有可能形成这样一个展宽了的转折点，然而，持怀疑态度的天文学家则认为，至今为止没有任何计算机模拟发现星团级别的分子云坍塌需要持续3亿年这么长的时间，而对年轻星团的观测也发现，没有任何年龄小于3亿年的星团有气体的残留，因此两派吵得不可开交，这一吵就吵了将近10年。

今年年初，应师弟的要求，我给几个麦哲伦云星系的星团做了观测，其中一个便是年龄为17亿年的星团NGC1651， 一眼看下去它的亮度颜色分布是这个样子的：

问题不大，反正都发现那么多展宽转折点的星团了，再多一个也不多，于是我摩拳擦掌准备随便弄一篇观测报告投出去灌灌水，但回头总琢磨着有些不对劲。回头看看那个大怪兽Omega Centanri的恒星分布，一个转折点对应着一条亚巨星分支，一个展宽的转折点不应该也对应一个展宽的亚巨星分支吗？可以看出来，在这个星团中，那些特别亮的转折恒星（纵轴20.5左右）似乎顺利的演化到亚巨星分支去了，但对那些暗的转折恒星（纵轴21左右），说好的亚巨星呢？刚刚已经说过了，主序——主序转折——亚巨星三个阶段是连在一起的，既然主序转折变宽了，亚巨星分支却很窄，看起来怎么都说不过去了吧！

于是我们套用理论的模型对这个星团的恒星亮度颜色分布进行了拟合，如下图所示：

这幅图就是上图的缩小版啦，其中最左边是我们的误差（观测嘛，总会有些误差的，不是一闪一闪才亮晶晶嘛！），中间就是恒星的亮度颜色分布，右边就是算了个它们的数密度啦一回事，首先我们还是假设这些恒星的转折点是由于恒星的年龄不同造成的，于是我们用蓝色的线来拟合转折区域的上边界，用红色的线来拟合转折区域的下边界，恒星模型告诉我们，这两个边界对应的年龄差距在4.5亿年左右，也就是说如果展宽的转折点是由于年龄不同造成的，则这个17亿岁的星团当年至少难产就难产了快5亿年（真可怜）。但是，如果我们仔细看，我们会发现几乎所有的亚巨星都紧密地团结在年轻的那条年龄线上，而年老的那条年龄线竟然几乎没有出现恒星，于是我们从理论上证明了我们的感觉是对的，说好的年老亚巨星不见了！

连帝都小学一年级学生都知道，真相只有一个，尽管爱过，但也不得不放弃。通过仔细的分析，我们发现在相当大的概率范围内（90%以上），所有的亚巨星都暗示着它们的年龄十分相似，而不是转折点恒星看起来那么参差不齐，下图展示了观测到的亚巨星针对两条年龄线的分布图，可以看出来几乎所有的亚巨星都掉在蓝色的背景带上，那是根据理论计算加上观测误差所预言出的亚巨星亮度分布的年轻区域，而没有一颗亚巨星落在年老的红色背景带上。根据上面标度的绝对年龄，我们计算出这些亚巨星的年龄差别最多不会超过1.6亿年，如果我们只关心90%以上的亚巨星，则它们的年龄差别不会超过0.8亿年，这已经达到了现在观测水平的分辨极限——我们几乎可以认定，它们就是同时形成的。在图下面的表格里，我们列出了不同年龄差别对应的亚巨星百分比（越高越好，SSP就是完全单星族，年龄差别为0），可以发现，对于大部分情形（最后四栏是对星团核心数据的分析），我们完全不需要假设任何年龄的差别就可以预言出这些亚巨星的亮度分布，而仅0.8亿年的年龄差别，就可以预言接近95%的亚巨星的分布，这与转折点恒星所要求的4.5亿年是格格不入的。

好啦，我们的故事讲完啦，什么？才一个星团不算？也是啦，你看看人家辣么多星团，你一个个例就想挑战共识也太任性了吧，OK，让我们来看看有没有其它的星团也是这样，首先我们再重新看看刚才的第五副图：

是不是很相似，别急，再看另外一个同样是10亿年，同样有展宽转折区域的星团的恒星分布，还是注意看它们转折点之后的亚巨星分支：

还有这一个

还有这一个

怎么样，是不是都很相似？实际上，这样的星团除了我们发现的这个以外，至少还有5个，而余下的一些中年星团则没有出现明显的亚巨星分支（它们的亚巨星数目太少了，以至于没法从统计上来分析）。2009年，当大部分星团天文学家都为中年星团的奇特性质欢饮鼓舞，他们撰文指出——几乎所有的中年星团都有着展宽的转折区域，这是星团不再单调的体现吗？今天我们可以反问，几乎所有的展宽转折区域要么没有亚巨星分支，要么对应一条狭窄的亚巨星分支，我们高兴得太早了吗？

那么，该怎样解释展宽的转折区域呢？很遗憾，我是个观测者，我们不知道。但可以肯定的是，必定是某种物理机制，使得那些哪怕是同时形成的恒星，当演化到转折区域时出现展宽了，就好像它们不是同时形成的一样，而这一物理机制必定只对转折区域的恒星有效，当它们演化到亚巨星分支开始膨胀时，就不再起作用了。一个可能的推断是恒星的旋转，因为高速旋转的恒星会因为离心力抵消掉一部分自身重力，这就使得那些转得快的恒星看起来更暗更红一些（因为它们内部感受到的重力变小了，因此氢燃烧速率就降低了），然而，当恒星演化到亚巨星分支开始膨胀时，由于角动量守恒（滑冰的选手抱紧双臂时转得很快，张开双臂时转动速度就降低了，便是这个道理）它们的转动速度便大幅降低，和不转动的恒星没什么两样，此时它们的亮度就又要恢复正常了。不过对于这一转动机制，目前还只停留在十分粗糙的推测阶段，具体的模拟也表明它也存在一些各种各样的问题，这又是另一个故事了，但即使如此，面对亚巨星分支带来的尖锐矛盾，这一推测看起来是目前最有可能的答案之一。

相关工作链接：http://www.nature.com/nature/journal/v516/n7531/full/nature13969.html

原文作者：李程远（北京大学），Richard de Grijs（北京大学），邓李才（中国科学院国家天文台）

本文作者：李程远