臺北市立天文科學教育館

在理解球狀星團的動力學及演化方面，天文學家取得了重要突破。近期，天文學家首次對銀河系中16個球狀星團內的不同恆星族群進行了三維運動學分析，並深入描述了球狀星團從形成至今的長期演化特徵。研究結果發表在《天文與天體物理學》（Dalessandro et al. 2024）。

球狀星團年齡可達120至130億年，幾乎可追溯至宇宙初期，是宇宙中最早形成的系統之一，也是所有星系中典型的成員族群。這些球形且緻密的恆星聚集體通常包含約100萬至200萬顆恆星，質量達數十萬個太陽質量，直徑僅約十光年，即便在遙遠的星系中也能觀測到。由於球狀星團的古老年齡，它們不僅有助於我們驗證宇宙形成的理論模型，也為研究星系的形成、演化與元素豐度提供了天然實驗室。儘管球狀星團已被研究逾百年，近期的觀測結果顯示我們的認識依然有限。理解球狀星團形成與早期演化背後的物理過程，已成為過去20至25年來天文學中的重要課題。

近20年的研究意外地發現，球狀星團中包含不止一種恆星族群。其中一種是原始族群，其化學性質與銀河系其他恆星相似；另一種族群則具有氦、氧、鈉和氮等輕元素的異常豐度。這些族群之間的運動學差異成為理解這些古老結構形成和演化的關鍵。儘管已有大量觀測和理論模型試圖描述這些族群，然而其形成機制仍不明確。

圖說：天文學家首次對圖中的這16個球狀星團內的不同恆星族群進行了三維運動學分析。Credits: ESA/Hubble - ESO - SDSS

為進一步探索球狀星團的運動特徵，研究團隊利用歐洲太空總署的蓋亞望遠鏡（Gaia）和歐洲南方天文臺的甚大望遠鏡（VLT）的觀測數據，結合太空與地面望遠鏡的資料，構建了一個專門用於分析球狀星團內部運動學的資料庫，首次提供了銀河系內16個球狀星團中恆星運動的三維視角。分析顯示，不同輕元素豐度的恆星族群展現出不同的運動學特徵。經詳細分析每個星團內數千顆恆星的運動，研究人員發現不同族群的恆星在運動特性上有顯著差異，其中化學成分異常的恆星公轉速度較快，並逐步從星團核心向外擴展。

這些運動學差異的強度取決於球狀星團的動力學年齡。化學成分異常的恆星在形成時更集中於核心並公轉更快，這與恆星系統的長期動力演化過程一致，顯示出球狀星團經歷了多次恆星形成事件。此結果為理解大質量恆星團的形成、演化過程及時間尺度提供了重要資訊，並為球狀星團的演化提供了前所未有的框架，有助於揭示這些古老系統的形成及演化過程，並釐清其起源中的諸多複雜謎題。

（編譯 / 段皓元）

資料來源：INAF