(a)星族Ⅰ轨迹;(b)星族Ⅱ轨迹金牛座天区明亮的疏散星团:昴宿星团北半球最著名的大力神球状星团

20世纪40年代之前,天文学家一直坚信所有的恒星都一样,至少是非常相似。这些星空子民不像人类那般复杂,更纯粹、物理、平等……

然而,当二战的炮火在人类世界轰鸣时,有人在漆黑的夜空下,凝视良久,发现栖息于星系里的恒星原来也有着类似人类的群居习惯,从此有了恒星的族群分类。

原始信念的崩溃,往往伴随着新认知的觉醒。

这种关于恒星分类的认知,开启了恒星和星系演化的边缘领域,成为了未来几十年天体物理学中最肥沃、最令人兴奋的研究领域之一,也拉开了全面认识银河系的序幕。

一场地面上的浩劫,如何促进了人类对天上星辰的认知呢?不同的族群分类究竟意味着什么?

人以群居,星以族分

二战期间,一名美籍德裔科学家,由于血统问题,被隔离在了美国当时的军事研究工作之外,只得在洛杉矶外郊的威尔逊山天文台没事打量星星。

他就是与兹维基(Zwicky Fritz)一同为“超新星”命名的天文学家瓦尔特·巴德(Walter Baade)。

由于其他所有威尔逊天文台的天文学家都忙于参与武器研究计划,那个沉默、高傲,兹维基口中的“巴德纳粹”(当然他不是)开始长期独自霸占威尔逊天文台,眺望他所热爱的星空。

地球上的炮火声,丝毫没有影响星空的宁静。甚至由于战时停电,反而让洛杉矶的星空显得更加幽暗深邃。没有了光污染,巴德看见了许多不曾见到的星空细节。

在那个战时的小世界,陪伴巴德的是一台大望远镜,一片漆黑的天空。

在扫视了临近星系与我们的银河系近郊之后,巴德发现仙女座星系的中央凸起处,那些以红色为主的恒星与我们银河系球状星团(Globular Cluster)和银晕(Halo)十分相似。他还注意到所有这类恒星与太阳系附近旋臂中的蓝色恒星在颜色、位置、运动方式上都存在差异。

1944年,巴德通过总结他观测到的恒星数据,把银河系里的恒星分为了两类,一类是位于银盘中以年轻恒星为代表的星族Ⅰ(Population I),一类是位于银盘外的以年老恒星为代表的星族Ⅱ(Population II)。

可以说,人类对世界的认知始于分类。分得好,就是创见;分得不好,就是毁灭。

巴德提出的恒星分类,有人认为堪比哈勃发现宇宙膨胀后的又一大敏锐洞察,极大促进了天文学的发展。

两个星族的区别

Bulge:中央凸起;Halo:银晕; Disk:银盘;Galactic center:星核

随着对两大星族的深度研究,大致给它们归纳出了以下4大差异:

1、位置差异

星族Ⅰ被限制在硬盘上,它们主要栖息在银河系的旋臂中,有明亮的超级巨星、高亮度主序星(光谱等级O和B)。它们时常组合成一些松散的恒星集团,称为年轻的疏散星团(Open Cluster)。

而星族Ⅱ则与旋臂的位置没有任何相关性,它们遍布在整个银河系,有名的天琴座RR变星、行星状星云环绕的恒星。它们时常组合成非常密集的恒星集团,称为古老的球状星团。

2、轨迹差异

星族Ⅰ与星族Ⅱ的在银河系中的位置差异,主要源于其运动方式的不同。

星族Ⅰ集中在银河系的旋臂中,围绕银河系中心以接近圆形的轨道运行。各恒星轨道大致以圆环套圆环的方式排列。

星族Ⅱ的轨道比星族Ⅰ的轨道更随机,且是高度偏心的椭圆轨道,轨道面以各种角度倾斜于银盘。这些轨道将它们高高地带入银河盘上(下)方的银晕。属于星族Ⅱ的球状星团运行轨迹虽然看似随机无章,但其椭圆轨道随机排列的组合却以星核为球心形成了一个大致的球面分布。

1917年,哈洛·沙普利(Harlow Shapley)通过测量球状星团与地球的距离,发现这个球面半径至少为10 kpc(1kpc=3260光年)。而球心则在朝半人马方向上的8.5kpc,这是人类第一次知道银河系中心的位置,同时宣告日心说的破产。

3、年龄差异

今天,我们对恒星演化的了解比上世纪40年代更深刻,从而使我们可以确定恒星的年龄。

星族Ⅰ星年龄跨度很大,有些已是100多亿岁的高寿,而另一些今天才刚刚诞生。就像同为星族Ⅰ星,太阳已年近50亿岁,而猎户座星云中的大质量恒星,才诞生了不过几百万年的时间。不过,星族Ⅰ大多是些活跃的年轻恒星。

星族Ⅱ的成员则完全由银河系早期形成的古老恒星组成,典型的年龄为110亿至130亿年。所以它们的质量也相对较小,不过太阳质量的0.8倍左右。

4、金属丰度

我们能知道恒星的年龄,是基于对恒星的光谱分析,而光谱分析能得出恒星的元素成分。

所有恒星大部分都是由氢元素和氦元素构成,但却会混杂有不同比重的重元素(比氦更重的所有元素),天文学上将这些重元素的占比称为“金属丰度”。

一般来说,越是年轻的恒星金属丰度越高,越是古老的恒星金属丰度越低,因此理论上宇宙诞生的第一批恒星其金属丰度为0,这样的恒星也被称为星族Ⅲ,但从未发现过。

银盘中星族Ⅰ星的重元素一般占恒星总质量的1-4%,银晕和球状星团中的星族Ⅱ的金属丰度却不足太阳的1%,有些甚至更低。迄今为止发现的最古老的Ⅱ恒星的铁含量不到太阳的一千万分之一。

真实的银河系居民

当然,任何分类理论都无法囊括全部,它只能为我们分析问题,看待事物提供了一个假设基础,为实验验证提供一个起点。

分类容易让我们找到认识事物的切入点,而随着认识的加深,分类也往往会显得过于简单化,而需要改进。

星族的想法帮助我们建立了关于银河系恒星的基本认知,但我们现在知道,它不能解释我们观察到的一切。即在银盘、银晕、中央星核的不同结构中,恒星的位置、年龄和金属丰度并没有那么清晰的界限。

某种程度上来说,银盘的厚度也是不确定的。要确切描述它取决于我们用来定义它的恒星对象,然而它们并没有清晰的边界。最热的年轻恒星及其伴生的气体和尘埃云大多位于约300光年厚的区域,而年纪较大的恒星则存在于厚度约为3000光年的区域内。

星族Ⅰ中最古老恒星的金属丰度是太阳的0.1倍,其轨道略呈椭圆形,离银盘面可达3000光年。像太阳这样的中年恒星的金属丰度是太阳丰度的0.5到1倍,在离盘面1100光年的高度可以发现。年轻恒星的金属丰度是太阳丰度的1到2倍,停留在离盘面650光年的范围内。而年龄不到1亿岁的婴儿恒星则多在距盘面300光年以内的旋臂中被发现,它们的金属丰度是太阳丰度的1至2.5倍。

那些银晕恒星的大部分时间都游荡在银盘的上方或下方,但由于它们斜插银盘的高度椭圆轨道,有时它们也会出现在太阳系附近。

恒星密度最高的区域是星系中央凸起处(越中心越密集),即银河系内部的棒状区域。一些炙热的、年轻的恒星挤在中央凸起处,但大多数凸起处的恒星却诞生了超过100亿年,而且它们的金属丰度还与太阳大致相当,这远远高于了同时代的银晕恒星。

为什么会这样?

天文学家认为,恒星在拥挤的中央凸起处形成的速度非常快,就在银河系形成的几百万年后,第一代质量大且寿命短的恒星就相继在超新星爆炸中释放出重元素,从而丰富了随后几代恒星的金属成分。因此,在中央凸起处即使100多亿年前形成的恒星也拥有大量的重元素供应。

而这与围绕银河系徘徊的小麦哲伦云中发生的情况完全不同。在这个常年挂在我们南半球的卫星星系中,即便是最年轻的恒星也缺乏重元素。

这是因为小星系并不特别拥挤,恒星的形成也很慢。因此,其内的超新星爆发相对较少。另外,因为小星系的引力有限,使它们更难回收超新星爆发喷出的气体,造成重元素的逃离。

因此,一颗恒星被赋予了哪些元素,这不仅取决于该恒星在其星系历史中形成的时间,还取决于它所在的星系中有多少恒星已经完成了它们播撒重元素的使命。

关键概念与总结

我们可以粗略地把银河系中的恒星分为两类。年代久远且重元素很少的恒星被称为星族Ⅱ,存在于银晕和球状星团中。星族Ⅰ比星族Ⅱ拥有更重的元素,以及连续的金属丰度和稳定的轨道形状,它们通常更年轻,排列在银盘中,尤其集中在旋臂中。

星族Ⅰ是由前几代恒星抛入星际介质的重元素为星种凝聚形成的。在星系中央凸起处的恒星,大部分有100亿年的历史,且含有异常高的重元素,大概是因为在这个稠密的区域有许多质量很大的第一代恒星,这些恒星很快就走完了一生,播撒了大量重元素孕育下一代的恒星。

星族的分类虽然过于简单,但却为人类理解星辰向前迈出了一大步。分而识之,是科学认知的基础,然而为星辰分类,是靠近;为人分类,却是隔阂。