關於疏散星團中紅巨星自轉軸互相對齊的進一步介紹

5天前，貝貝在《「傾聽」恆星的「聲音」，揭開宇宙神秘的過去》（鏈接：「傾聽」恆星的「聲音」，揭開宇宙神秘的過去 - 知乎專欄）一文中介紹了星震學，以及天文學家通過使用星震學的方法，觀測計算銀河系中2個古老星團內48顆紅巨星自轉角的方向，結果發現，其中70%的自轉呈現強烈的相互對齊。

一些朋友對此很感興趣，為了更好地滿足大家的好奇心和求知慾，今天，我們對這項新發表的研究再做一些詳細的介紹。

一顆恆星在青壯年時期被稱為主序星（main sequence star），當它年紀大了進入老年期時，將首先變成紅巨星。例如，我們的太陽現在正處於主序星階段，僅僅幾十億年之後，太陽也會成為一顆紅巨星，到時候它將膨脹並且吞噬掉內行星，地球也有可能被它吞沒。

宇宙中的大部分恆星都處於主序星階段，通過核聚變將氫轉化為氦。期間，核聚變產生的向外壓力（輻射壓）與引力的向內壓力保持平衡。當恆星核的氫燃燒完以後，核聚變停止，引力的向內壓力就獲得壓倒性優勢，恆星將會收縮坍塌，變得越來越小越來越緊。在塌縮過程中，溫度又會變得越來越高，最終達到氦能夠融合成碳的水平。氦聚變產生的巨大能量將使恆星向外膨脹到其原始尺寸的許多倍大。體積膨脹的程度超過發光能力的增加，使得恆星表面的有效溫度下降——此時的表面溫度大概只有2200 到3200攝氏度（略高於太陽表面溫度的一半），而這種表面溫度的下降則會令恆星的外觀更傾向紅色，因此被稱為紅巨星。

被觀測的紅巨星位於銀河系2個古老的疏散星團中（疏散星團，open cluster，是一種擁有100到1000顆相同年齡恆星的星團），分別是80億歲的星團NGC 6791（題圖就是NGC 6791），和20億歲的星團NGC 6819。美國宇航局的開普勒衛星對這些紅巨星（red giant star）進行了長達4年的觀測，它們的質量分別都在1到2個太陽質量之間。

銀河系中的大部分恆星都是由一個巨大的氣體雲坍塌形成的，這個巨大的氣體雲被大量氣體和塵埃所遮蔽，很難對其進行直接觀測。因此，對現代天文學家來說，理解調節恆星形成的機制是一個重要的挑戰。為了越過干擾，這次發表的新研究選擇了古老星團的紅巨星作為觀測對象。——因為在古老的星團中，那些干擾觀測的塵埃和氣體都消失了，但其中的恆星卻依然保留了一些重要信號（這些信號是孕育恆星的星雲留下來的），並且，這些印記在億萬年後依然可見。

隨著高精度空間光度測定（high-precision space photometry）的出現，星震學已經證明了它探測恆星內部以及確定恆星基本參數的能力。現在，憑藉著已有的數千個振蕩模式（oscillation mode），天文學家們可以精確地測量樣本中每一顆紅巨星自轉軸的方向。（星震學，研究恆星的「地震活動」——seismic motion。由於恆星在演化的過程中其結構和組成會發生變化，因而它們的振蕩模式也會發生變化，星震學因此也能夠對恆星的年齡做出相對精確的估計。）

結果令人十分驚訝，幾乎所有紅巨星（樣本中70%的紅巨星）的自轉軸彼此之間強烈對齊，並指向同一個方向。正如該論文的第一作者、天體物理學家Enrico Corsaro所說的，「這是完全出乎意料的，因為星團中氣體的無序運動所產生的湍流應當會導致隨機分布的旋轉軸（randomly distributed axes）。」

考慮到星團的形態，以及疏散星團中恆星間相當大的距離，科學家得出結論，自轉軸的這種緊密對齊不可能是由潮汐作用（tidal interaction）引起的，必須追溯到幾十億年前，這些星團形成的時候。

通過使用3D數字流體動力學模擬（3D digital hydrodynamic simulation），天體物理學家們能夠再現控制恆星的形成的各種條件。這些模擬特別考慮到了原星團最初的旋轉（proto-cluster，指在引力作用下處於坍縮過程中的氣體雲）。

經過模擬，天體物理學家們確定，當原星團總能量平衡的至少50％與旋轉相關聯時，所形成恆星的自轉軸就能夠有效對齊。最終，他們認為，原星團的旋轉屬性（尤其是其整體角速度）被有效地傳遞到其內部形成的恆星個體中。

此外，只有足夠高質量的恆星（至少擁有0.7個太陽質量），才能夠繼承這種旋轉屬性。質量較小的恆星沒有呈現出這種被觀測到的自轉軸對齊，因為它們的形成過程在很大程度上被干涉這個角運動的湍流所左右。

未來，歐洲航天局的M3柏拉圖任務（M3 Plato ，「行星凌日和恆星振蕩」任務，預定在2024年發射）將對銀河系中其他眾多的星團進行觀察，由它傳回的更多觀察結果，將會使科學家們對恆星形成的有關研究給予更多的支持。

　　本文部分參考資料來源：

　　https：//http://www.sciencedaily.com/releases/2017/03/170316112618.htm

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