宇宙，星光灿烂，你或许会疑问，这些恒星从何而来，在我们上一篇同样关于星团中的星族 科普中，我们知道这些恒星实际上是从广袤的气体云中坍塌形成的。在我们的宇宙中，恒星的质量各异，从特别小质量的恒星到最大质量的恒星，其质量大约是我们太阳质量的十分之一到一百倍，然而，形成这些恒星的巨型分子云，其总质量能很轻易的达到上万倍甚至上千万倍太阳质量，因此一个很直接的结论便是，一片分子云所能孕育的恒星肯定也是成百上千甚至成千上万的。实际上，的确是这样，严格的观测表明，几乎所有的恒星早期都在成团的环境中扎堆产生的，星团是恒星形成的基本场所 [1]。

因为星团毕竟是包含多体的不稳定引力系统绝大部分星团，随着时间的演化，它包含的恒星会逐渐扩散到它所处的星系场中，成为场星，然而在我们宇宙中，还是可以找到相当多的尚存的星团，它们的年龄可以从数百万年到上百亿年不等。天文学家所观测到的极端年轻星团的年龄可以只有几百万年，它们甚至可以和人类的演化年龄相比拟，这些极端年轻的星团看起来往往像下图：

哈勃太空望远镜拍摄的年轻星团R136

哈勃太空望远镜拍摄的年轻星团NGC3603

正如我们看到的那样，这些极端年轻星团，往往被包裹在一团浓厚气体云的空洞里头，仿佛恒星在气体云里吹泡泡，这不是偶然，实际上，尽管在宇宙中绝大部分恒星质量都很小，但宇宙的绝大部分光却都是由那么一小部分大质量恒星贡献的。一颗质量在几十到上百太阳质量的恒星，其发出的光甚至堪比几十万甚至上百万颗太阳质量的恒星同时发出的光，这样一颗超大质量恒星发出的光往往极端偏蓝，甚至还能像宇宙中大规模注入X光光子。这些高能光子包含有极大的能量，它们被周围的气体云吸收后，一部分将使得这些气体云被电离，另一部分则将气体云加热，使得其高速朝外扩散，用不了多长时间，本来大片的气体云很快就会被这些大质量恒星发出的强光吹走，从而造成一个巨大的没有气体的空洞 [2] ——而星团的主体部分，便暴露在了天文学家的视野中。

超大质量的恒星寿命很短，绝大多数质量在十几倍太阳质量以上的恒星，其寿命不会超过一千万年，这些大质量恒星，其生命是以一场称作“超新星”的超级大爆炸的方式结束的，一颗恒星当它演化到超新星时，到底能有多亮？对这一课题的认识一直在被刷新。例如这个月中，我北京大学的同事东苏勃老师就发现了一颗接近40亿光年之外的超新星，其发出的光竟然可以达到我们整个银河系所有恒星发出的光的数十倍 [3]，其爆炸猛烈程度可想而知。实际上，一颗超新星在爆炸的那一刻，其物质朝外的喷射速度甚至可以达到30000公里每秒，这已经达到了光速的10%。这么猛烈的爆炸，其能量传递到周边的气体云时，会产生强大的激波，再一次将气体云加速到几百甚至上千公里每秒——也就是说，在不到一千万年的时间内，星团中所有的残余气体会被一扫而光。的确，当天文学家们观测年龄大于一千万年的星团时，他们看到的星团是不包含任何气体的：

大麦哲伦云星团NGC1818，其年龄为2000万年左右

形成恒星需要气体，如果星团不能保持住自身的气体，那么其孕育新恒星的过程就将戛然而止。这就意味着，无论你看到的星团年龄多大，它所包含的恒星一定是在最初的那一千万年之中形成的。现在我们观测到的绝大多数有点规模的星团，其年龄都在数十亿年以上，一千万年对它们而言就好像一瞬间的事情，因此，就如同一个班的同学基本都是同一年出生的一样，天文学家们相信，星团中的恒星，其年龄成分也一定是单一的。

然而，对于这一预言，天文学家们的观测却是喜忧参半，一方面，对年轻星团的观测的确证实了它们中不包含赖以大规模形成恒星的气体 [4]，另一方面，对年老的球状星团的观测却表明，其包含有至少两批以上的恒星 [5]，暗示着球状星团拥有持续形成恒星的能力。正如我们刚才所说，不论是早期星团中大质量恒星吹出的星风，还是后来的超新星大爆炸，其势必将星团中的气体云迅速吹走，除非星团的质量足够大，能够将这些气体再一次通过引力拉回自身，否则这些气体的逃离是不可避免的。有计算表明，星团如果要保留住自身早期的气体，其最低质量必须达到一百万倍太阳质量 [5]，目前为止能达到这个质量阈值的星团屈指可数，而进一步的研究则表明，如果要能产生超大规模的两次以上恒星形成，星团最初的质量必须达到它们目前自身质量的几十到上百倍以上 [6]，也就是年轻的星团其质量应该至少是几百万到上千万的量级，而天文学家们目前发现的最大质量年轻星团，也不过才几十万倍太阳质量而已。

这就使得星团的形成遇到了巨大的疑难，实际上，在2015年夏天夏威夷召开的天文学联合会关于星团的研讨会上，天文学家们对此展开了激烈的争论。目前为止关于星团中的恒星成分，天文学家们提出的模型有五六种（若细分可以达到上十种），其各自都有着难以圆说或者尚未观测证实的缺点。其中一种模型称为外部吸积模型，其提出的雏形至今已经逾半个多世纪了 [7]，其最主要的观点是，星团并不需要留住自身的气体来形成恒星，而是在星团围绕星系运动的过程中，会不时地遇到原本处于另外一个位置的巨大气体云，从而获得额外的气体形成恒星。

吸积模型最大的优点是它避免了星团需要超大的自身质量来留住最初的逃离气体，但由于观测到的许多包含多个恒星成分的年老星团并不处于富气体的环境中，因此它们在年轻的时候能否足够频繁地遭遇气体云便成了一个问题，毕竟天文学没法做实验，谁也不知道一百亿年以前的宇宙是什么样子，不过，其尘封几十年的最大因素在于，一直以来，没有直接的观测证据来证实这一模型。

我今天要介绍的工作便是这一模型的直接证据。

由于我们身在银河系中，要观测处于富气体银盘上的星团并不容易，它们往往被巨大的尘埃蒙蔽着，为了弥补这一缺陷，我们对银河系邻近星系——大、小麦哲伦云星系的三个星团 （NGC1783，NGC1696，NGC411）进行了观测，观测这三个星团的原因在于（1）它们的年龄在数十亿年左右，比极端年老的球状星团要年轻许多，这使得我们能够窥见隐藏在其中的可能的星团年轻时期的信息；（2）它们的年龄又比极端年轻的星团年老许多，如果它们存在吸积外部气体的过程，那么它们肯定已经吸积了足够多的气体，造成了可观规模的新的恒星形成；（3）大小麦哲伦云都不处在银盘附近，因此避开了大团的尘埃的蒙蔽，使得我们拥有非常清晰的视野。下图展示了哈勃太空望远镜拍摄到的星团NGC1783：

哈勃太空望远镜拍摄的年龄为15亿年左右的星团NGC1783

我们观测的三个星团质量在三万到二十万倍太阳质量之间，显然，它们不具备把初期逃离的气体拉回来的能力。然而，通过对数据的仔细分析，我们发现在这三个星团中包含有非常清晰的二次恒星形成过程，在上一篇关于星团中星族的 科普 中我们已经介绍过了，如果把星团里的恒星画在一张颜色和亮度的二维图上，那么根据恒星演化模型，同一时期形成的恒星会沿着一条严格的“等时线”（一条理论计算出来的恒星颜色和亮度的二维分布曲线）分布。恒星的颜色和亮度的二维分布图称为“赫罗图”（以前人名字命名），它是天文学家研究恒星的最重要工具之一，但凡与恒星物理研究相关的天文学家，都对赫罗图了如指掌，实际上，在恒星物理界有一句俗语叫做——“你应与赫罗图融为一体”。

下面就让我们看看这三个星团的赫罗图，由于篇幅限制，我仅以其中最为典型的星团NGC1783为例，展示给大家（更多的细节，欢迎大家参阅原文或私信我个人索取）：

星团NGC1783的赫罗图，每一个点代表一颗星，横轴从左到右代表颜色越来越红，纵轴从下到上代表越来越亮。

从图中我们发现，在星团大部分星分布的所谓“主序”带之外，还节外生枝出现了两条不同的恒星分布，通过对比恒星模型给出的理论分布，我们发现这两支不同的恒星实际上代表了完全不同年龄的两个成分。在右图中，红色、绿色和紫色三条虚线是恒星模型给出的恒星分布曲线，它们代表了三支不同年龄的恒星，也就是说，在NGC1783形成了绝大多数恒星（沿红色虚线分布的恒星带）之后，又在两个不同的时间节点再次爆发性形成了两批恒星，单独看这两批恒星的形成过程，与我们之前阐述的星团的恒星形成过程一样，其的的确确是在很短的时间内形成的。然而，很明显的是，在星团NGC1783内出现了不止一次这样的恒星形成过程，不同的恒星形成过程之间的时间差是十分明显的，不能归为第一次恒星形成的后续，也就是说，NGC1783的恒星不再是同班同学了，它其中包含了至少三个年龄不一样的“年级”。

那如何判断这些新形成的恒星是由于星团吸积外部气体产生的，还是来自自身内部的原始气体呢，直接的判断方法是看它们的动力学分布。对于极端年老的星团，由于它们长时间的演化，先后形成的不同恒星彼此之间混合在一起，已经变得不可区分，然而对于年轻的星团而言，由于其演化的时间较短，来源于外部气体的恒星与星团自身的原始恒星在空间分布上应该呈现不同的分布。一个好的办法便是对比这些恒星与星团中恒星的空间分布，为了尽可能消除其它物理因素的影响，我们小心选取了星团中质量相近的原始恒星作比较，通过对比，我们发现星团中的原始恒星在空间的聚集程度，远比新生成的恒星要更加致密，打个比方：如果有100颗原始恒星和100颗新生成的恒星的话，那么居住在北京三环以内的原始恒星与三环外的原始恒星数目比例为7:3，而这些新生成的恒星对应的比例则只有5:5。很显然，如果这些新生成的恒星与原始恒星来源一致（都来源于星团的初始气体），其相对星团中心的聚集程度应该也是差不多的，而实际上，这些新生成的恒星并不如我们想象中那么靠近星团的中心位置，再加上星团本身质量较小，它们的原始气体应该在最初的一千万年之内就已经被完全吹走了，因此这批大规模形成的后来恒星，是绝不可能来源于星团的内部气体的。

三个星团的新形成恒星相对原始恒星的空间分布，从上往下分别为NGC1783（包含两支新生成恒星），NGC1696和NGC411。它们相对星团中心的聚度远小于星团的原始恒星（因此越往外其所占优势越大），强烈暗示着它们来源于星团外部气体而非内部。

为了计算我们的观测是否与外部气体吸积理论符合，我们与美国西北大学的计算天体物理学家合作，对星团NGC1783进行了模拟（由于计算一个多体系统需要消耗太多资源，我们的大部分计算和模拟都是围绕最典型的星团展开），我们发现，考虑到星团NGC1783本身处于富气体的麦哲伦云星系盘中，其相对麦哲伦云的旋转速度为50千米每秒，考虑自身的结构以及总质量，我们发现其可以在过去十亿年内吸积接近5000倍太阳质量的气体，而这些气体中只要有10%能够最终成功形成恒星，就可以重现出我们的观测结果。考虑到天文观测时标特别长（我们人类有科学以来，即使相对最年轻的星团也只不过是一瞬间），我们这一结果，是这半个世纪以来的首次，也算是最强的，对星团吸积气体云来形成新恒星理论的观测证据了。

我们的结果能表明年老的球状星团是通过攫取外部气体来形成新恒星吗？从科学的角度来说，三个星团的证据就言之凿凿地给争论了几十年的科学课题下结论未免有点跑火车，但我们的结果至少证明了即使是质量远未达到百万太阳质量量级的星团，其形成新恒星的渠道还是十分丰富的。一个疑难之处在于，我们发现的新恒星规模还远不及年老的球状星团，对于球状星团，其所包含的新一代恒星所占比例往往可以达到一半以上，也就是说，球状星团中新形成的恒星与原始恒星的质量比可以达到1比1，而我们观测到的这三个星团，新的恒星所占的质量比例只有0.2%到2%不等。因此，更加精确的数值模拟还是势在必行的，考虑到在吸积模型中，吸积气体的速度与星团本身的质量平方成正比，因此一个质量仅几万倍太阳质量的星团能通过吸积形成几百倍太阳质量的恒星的话，一个质量为几十万倍太阳质量的星团所能通过吸积获得的质量就可以达到几万倍太阳质量了，考虑到宇宙早期的星团（也就是球状星团）往往质量巨大[见注释]，因此要形成可观规模的（质量比例在10%以上）新一代恒星并非不可能，当然，这一切都需要下一代计算机和望远镜来加以验证了。

参考文献：

[1] Embedded Clusters in Molecular Clouds, Lada & Lada, 2003, ARA&A, 41, 57;

[2] Gas Expulsion and the Destruction of Massive Young Clusters, Goodwin & Bastian, 2006, MNRAS, 573, 752

[3] ASASSN-15lh: A Highly Super-luminous Supernova, Dong, Shappee, Prieto et al., 2016, Science, 351, 257

[4] Constraining globular cluster formation through studies of young massive clusters - I. A lack of ongoing star formation within young clusters, Bastian, Cabrera-Ziri, Davies & Larsen, 2013, MNRAS, 436, 2582

[5] Recurrent Gas Accretion by Massive Star Clusters, Multiple Stellar Populations and Mass Thresholds for Spheroidal Stellar Systems, Pflamm-Altenburg & Kroupa, 2009, MNRAS, 397, 488

[6] Formation and Dynamical Evolution of Multiple Stellar Generations in Globular Clusters, D'Ercole, Vesperini, D'Antona et al., 2008, MNRAS, 391, 825

[7] On Spherically Symmetrical Accretion, Bondi, 1952, MNRAS, 112, 195

注释：为什么早期星团的质量很大?这是一个观测事实，绝大多数球状星团（也就是形成于宇宙早期的星团）质量都远大于今天新形成的星团。这其中一个原因在于宇宙早期背景温度很高，而其所包含的重元素很少（重元素需要通过一代又一代恒星燃烧产生），而重元素本身可以把能量以发射线的形式散发出去，缺乏重元素的气体云因此就很难散热，所以早期的星团往往是整块整块的气体云直接坍塌形成（如果散热效率比较高，气体云就容易发生碎裂，从而形成小规模星团）。此外，由于宇宙是膨胀的，早期宇宙体积小，气体云密度大，相互之间容易发生并和，综合考虑以上因素，早期宇宙的星团就更大了，也就是说，早期宇宙的恒星形成规模往往都十分庞大。

相关工作链接：http://www.nature.com/nature/journal/v529/n7587/full/nature16493.html

原文作者：李程远，Richard de Grijs，邓李才，新宇，胡义，Aaron M. Geller，Claude-Andre Faucher-Gigure.

本文作者：李程远