22.2: 星团

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Nov 1, 2022
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- 22.1：从主序列演变为 Red Giants
- 22.3: 看看理论

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

解释星团如何帮助我们了解恒星演化的各个阶段
列出不同类型的星团，并描述它们在恒星数量、结构和年龄方面的差异
解释为什么球状星团的化学成分与开放星团的化学成分不同

前面对恒星演化的描述是基于计算得出的。但是，没有一颗恒星能以足够快的速度完成其主序列寿命或演化为红巨星，足以让我们观察到这些结构变化的发生。幸运的是，大自然为我们提供了一种间接的方法来测试我们的计算。

我们可以观察一组或一群恒星，而不是观察单颗恒星的演变。我们寻找一组在太空中非常靠近的恒星，由重力聚在一起，经常绕着一个共同的中心移动。那么可以合理地假设该组中的单颗恒星几乎是在同一时间形成的，来自同一个云层，成分相同。我们预计这些恒星只会在质量上有所不同。他们的群众决定了他们走过人生每个阶段的速度。

由于质量较高的恒星进化得更快，我们可以找到星团，在这些星团中，巨型恒星已经完成了主序列进化阶段并变成了红色巨星，而同一星团中质量较低的恒星仍在主序列上，或者如果星团还很年轻，甚至在星团还很年轻的情况下处于预先状态主序列引力收缩。我们可以看到单个星团成员之间恒星演化的许多阶段，我们可以看到我们的模型能否解释为什么不同年龄的星团的 H—R 图看起来像它们的样子。

天文学家发现的三种基本星团是球状星团、开放星团和恒星关联。表中总结了它们的属性 $\PageIndex{1}$ 。正如我们将在本章的下一节中看到的那样，球状星团仅包含非常古老的恒星，而开放星团和关联包含年轻的恒星。

表 $\PageIndex{1}$ ：星团的特征
特点	球状星团	打开集群	协会
银河系中的数字	150	数千个	数千个
银河系中的位置	光环和中央凸起	圆盘（和螺旋臂）	螺旋臂
直径（以光年为单位）	50—450	<30	100—500
Mass M S un	10 ⁴ —10 ⁶	10 ² —10 ³	10 ² —10 ³
星星数	10 ⁴ —10 ⁶	50—1000	10 ² —10 ⁴
最亮的星星的颜色	红色	红色或蓝色	蓝色
星团的亮度（L 太阳）	10 ⁴ —10 ⁶	10 ² —10 ⁶	10 ⁴ —10 ⁷
典型年龄	数十亿年	就异常大的集群而言，几亿年到超过十亿年	最长可达 10 到 ⁷ 年

球状星团

球状星团之所以被命名为这个名字，是因为它们几乎是对称的圆形系统，通常由数十万颗恒星组成。我们自己的银河系中最大的球状星团是半人马座欧米茄，它距离大约 16,000 光年，包含数百万颗恒星（图 $\PageIndex{2}$ ）。请注意，该星团中最亮的恒星，即已经完成其进化主序列阶段的红色巨星，颜色为橙红色。这些恒星的典型表面温度约为4000 K。正如我们将看到的那样，球状星团是银河系中最古老的部分之一。

alt — 图 $\PageIndex{1}$ Omega Centauri。 (a) 半人马座欧米茄距离大约 16,000 光年，是我们银河系中最大的球状星团。它包含数百万颗恒星。 (b) 这张用哈勃太空望远镜拍摄的图像在半人马座欧米茄中心附近放大。该图像的宽度约为 6.3 光年。图像中数量最多的恒星，颜色为黄白色，是与我们的太阳相似的主序列恒星。最亮的恒星是红色巨星，它们已经开始耗尽氢燃料，并已扩展到太阳直径的100倍左右。蓝星已经开始了氦聚变。

生活在球状星团里会是什么样子？在人口稠密的中心区域，恒星之间的距离将比我们自己的邻居近近大约一百万倍。如果地球绕球状星团中的一颗内部恒星运行，那么最近的恒星将距离光月，而不是光年。它们仍然会以光点的形式出现，但会比我们在自己的天空中看到的任何一颗恒星都要亮。银河系可能很难看透星团产生的明亮星光阴霾。

我们的银河系中已知大约有150个球状星团。它们中的大多数位于由银河系大多数恒星形成的平面圆盘周围的球形光环（或云）中。所有的球状星团都离太阳很远，有些是在距离银河系主盘6万光年或更长时间的地方发现的。球状星团的直径从50光年到超过450光年不等。

打开集群

在 Galaxy 的磁盘中可以找到打开的星团。它们的年龄各不相同，有些与我们的太阳一样古老，甚至比我们的太阳还要古老。最年轻的开放星团仍然与它们形成的星际物质有关。开放星团比球状星团小，其直径通常小于30光年，并且它们通常只包含几十到几百颗恒星（图 $\PageIndex{3}$ ）。开放星团中的恒星通常看起来彼此之间很好地分开，即使在中心区域也是如此，这就解释了为什么它们被称为 “开放”。我们的银河系包含数千个开放星团，但我们只能看到其中的一小部分。星际尘埃也集中在圆盘中，它会使更远的星团的光线变暗，以至于无法察觉。

alt — Figure $\PageIndex{3}$ Jewel Box（NGC 4755）。这个由年轻、明亮的恒星组成的开放星团距离太阳大约 6400 光年。注意亮黄色超级巨星和热蓝色主序列恒星之间的颜色对比。这个名字来自约翰·赫歇尔十九世纪将其描述为 “装有各种颜色的宝石的棺材”。

尽管开放星团中的单个恒星可以存活数十亿年，但它们作为一个星团在一起通常只能存活几百万年，或者最多几亿年。这有几个原因。在小型开放星团中，星团中成员恒星的平均速度可能高于星团的逃逸速度 ¹，恒星将逐渐从星团中 “蒸发”。成员恒星的近距离接触也可能使其中一个成员的速度提高到逃脱速度之外。每隔几亿年左右，星团可能会与巨大的分子云近距离接触，而云施加的引力可能会使星团分崩离析。

肉眼可以看到几个开放的星团。其中最著名的是 Pleiades（第 20.3 节 $20.3.5$ 中的图），它以一小群六颗星的形式出现（有些人能看见六颗以上，而 Pleiades 有时被称为七姐妹）。这个星团像一把小蘸勺一样排列，在牛金牛座的星座中可以看到。一副好的双筒望远镜可以显示星团中的数十颗恒星，而一台望远镜可以看到数百颗恒星。（一家名为斯巴鲁的汽车公司的名字来自这个集群的日语术语；你可以在斯巴鲁徽标上看到星群。）

海德斯是金牛座另一个著名的露天集群。肉眼看来，它看起来像一组 V 形的微弱星星，标志着公牛的脸。望远镜显示，海德斯实际上包含200多颗恒星。

恒星协会

关联是一组极其年轻的恒星，通常包含5至50颗散布在直径约100-500光年的太空区域上的炎热、明亮的O和B星。举个例子，猎户座星座中的大多数恒星构成了最近的恒星关联之一。关联还包含数百到数千颗低质量恒星，但这些恒星要微弱得多，不那么显眼。真正炎热、发光的恒星的存在表明协会中的恒星形成是在过去一百万年左右的时间里发生的。由于 O 星仅用了大约一百万年的时间就完成了其一生，因此除非最近出现恒星的形成，否则它们将不会存在。因此，在形成新恒星所需的气体和尘埃丰富的地区发现关联也就不足为奇了。它就像一座全新的建筑，周围仍然被用来建造它的一些建筑材料所包围，景观仍然显示出施工的迹象。另一方面，由于联想像普通的开放星团一样，位于被尘土飞扬的星际物质占据的区域，因此许多关联都隐藏在我们的视线之外。

关键概念和摘要

星团是我们计算随着恒星老化而发生的情况的最佳测试之一。给定星团中的恒星大约是在同一时间形成的，并且具有相同的成分，因此它们主要在质量上有所不同，因此在生命阶段也不同。星团有三种类型：球状星团、开放星团和关联星团。球状星团的直径为50—450光年，包含数十万颗恒星，分布在银河系周围的光环中。开放星团通常包含数百颗恒星，位于银河系平面上，直径小于30光年。关联存在于气体和尘埃区域，其中包含极其年轻的恒星。

脚注

¹ 逃生速度是克服某个物体或一组物体的重力所需的速度。例如，我们从地球发射的火箭必须比我们星球的逃生速度更快才能到达其他世界。

词汇表

协会: 一组松散的年轻恒星，其光谱类型、运动和在天空中的位置表明了共同的起源

球状星团: 大约 150 个大型球形星团（每个星团有数十万颗恒星）中的一个，它们在银河系中心形成球形光环

打开集群: 相对松散的恒星群，包含几十到几千个成员，位于银河系的螺旋臂或圆盘中；有时被称为银河星团