球状星团形成和演化的第一个 3D 视图

在《天文学与天体物理学》(A&A)上发表的一项研究标志着我们理解球状星团（球形和非常紧凑的恒星团聚体，通常由1-2百万颗恒星组成）的多个星族的形成和动态演化的一个重要里程碑。

图1：按多个恒星群之间观察到的运动特性差异的顺序分析了 16 个球状星团的图片库。

这项开创性的研究由来自美国国家天体物理研究所 （INAF）、博洛尼亚大学和印第安纳大学的一组研究人员进行，首次对我们银河系中 16 个球状星团的代表性样本的多个恒星群进行 3D 运动学分析。它对它们的运动学特性（即恒星如何在球状星团中移动）以及它们从形成到现在的长期演变进行了开创性的观测描述。

博洛尼亚 INAF 的研究员、文章的主要作者兼工作组协调员 Emanuele Dalessandro 解释说：“了解球状星团形成和早期演化背后的物理过程是过去 20-25 年中最引人入胜和最具争议的天体物理学问题之一。

“我们的研究结果提供了第一个确凿的证据，证明球状星团是通过多个恒星形成事件形成的，并对星团在整个演化过程中所遵循的动力学路径施加了根本性的约束。这些结果是通过多诊断方法以及最先进的观测和动力学模拟的结合而实现的。

该研究强调，多个星族之间的运动学差异是理解这些古老结构的形成和进化机制的关键。球状星团的年龄可以达到 120-130 亿年（因此可以追溯到宇宙的黎明），是宇宙中最早形成的系统之一。他们代表了所有星系的典型群体。它们是紧凑的系统（质量为几十万个太阳质量，大小为几个秒差距），甚至可以在遥远的星系中观察到它们。

图2；在 GC 47 Tuc 中选择用于运动学分析的恒星的 2D 密度图。FP 显示在左侧面板中

“它们的天体物理意义是巨大的，”Dalessandro 说，“因为它们不仅帮助我们测试宇宙因其年龄而形成的宇宙学模型，而且还为研究星系的形成、演化和化学富集提供了天然实验室。尽管球状星团的研究已经有一个多世纪了，但最近的观测结果表明，我们的知识在很大程度上仍然不完整。

“过去二十年获得的结果出乎意料地表明，球状星团由不止一个星族组成, 包括以下两部分：一个原始星团，其化学性质与银河系中的其他恒星相似，另一个具有异常的化学丰度的轻元素，如氦、氧、钠和氮，”博洛尼亚大学物理与天文学系研究员兼 INAF 研究员马里奥·卡德拉诺 （Mario Cadelano） 说， 他是该研究的作者之一。

“尽管有大量的观察和理论模型旨在描述这些星族的特征，但调节它们形成的机制仍然不清楚。”

该研究基于对 3D 速度的测量，即正确运动和径向速度的组合，使用 ESA Gaia 望远镜和 ESO VLT 望远镜等获得的数据，主要是作为 MIKiS 巡天（多仪器运动学巡天）的一部分，这是一种专门针对探索球状星团内部运动学的光谱巡天。这些望远镜从太空和地面的使用，为选定的球状星团中恒星的速度分布提供了前所未有的 3D 视图。

分析表明，具有不同轻元素丰度的恒星具有不同的运动学特性，例如旋转速度和轨道分布。

“在这项工作中，我们详细分析了每个星团中数千颗恒星的运动，”博洛尼亚 INAF 的博士生 Alessandro Della Croce 补充道。“很快就发现，属于不同星族的恒星具有不同的运动学特性：具有异常化学成分的恒星往往比星团中的其他恒星旋转得更快，并逐渐从中心区域扩散到外部区域。”

这些运动学差异的强度取决于球状星团的动力学年龄。“这些结果与恒星系统的长期动力学演化是一致的，其中具有异常化学丰度的恒星比标准恒星形成更集中，旋转速度更快。

“这反过来又表明，球状星团是通过多个恒星形成阶段形成的，并为定义大质量恒星团形成和演化的物理过程和时间尺度提供了重要信息，”Dalessandro 强调说。

这种球状星团中恒星运动的新 3D 视图为这些有趣系统的形成和动力学演化提供了一个前所未有的迷人框架。它还有助于澄清围绕这些古老的结构起源的一些最复杂的谜团。

责任编辑：杨欣冉