哈勃30年：球状星团杜鹃座47中的质量效应
酆都御史
仰观宇宙之大，俯察品类之盛2020-04-26 23:38
星际气体在星系中并非均匀分布，在受到大质量恒星死亡爆炸的挤压，或与临近星系之间的引力相互作用时，新生恒星可能会这些星云中爆发式增长。尤其在一些星际介质密度比正常恒星形成区域更高的区域，会出现密度更高的恒星集团。这些几乎在同一区域、同一时间诞生的恒星群在引力作用下，逐渐向共同的质心方向集中，形成球状星团。
哈勃拍摄的球状星团杜鹃座47多波段合成图像
稠密恒星组成的球状星团相较于星系中恒星较稀疏的区域，就像是孤立的恒星都市，数十万乃至上百万颗恒星拥挤在一起。和现实中快节奏的城市生活一样，球状星团中的成员围绕星团中心运转的速度也很快。
以往的观测表明，在球状星团中，那些大质量恒星拥挤在星团中心区域，而质量较轻的恒星则分布在“人口”稀疏的星团郊区。这是由星团内恒星之间的“引力战争”产生的结果。通过相互引力作用，球状星团根据质量对恒星进行分类，较低质量的恒星从较大质量的恒星获得动量。最终结果是较重的恒星减速并“沉入”星团的中心区域，而较轻的恒星则加速并迁移到星团的边缘，这个过程被称为“质量分离”。
质量越大的恒星维持主序阶段的时间越短。一些质量较大的恒星在演化末期成为红巨星及行星状星云，将其大半质量抛射出去。当这些恒星中心的核聚变停止运行，剩余质量小于钱德拉塞卡极限，就会形成一颗体积较小、密度很高的简并态白矮星。
虽然白矮星已经耗尽了氢燃料，不再像主序阶段的恒星一样通过核融合产生能量，但这些低光度、高密度、高温度的天体在紫外波段非常明亮，它们依然是星团中最亮的天体。此后随时间流逝，它们会将储存的热量缓慢地辐射到太空中，温度逐渐降低，亮度也越来越低。
右侧是杜鹃座47中心区域的可见光及紫外波段图像，绿圈中是识别出来的白矮星。
因为地球大气层过滤了紫外线，地基望远镜无法观察到这些白矮星产生的紫外辐射，而它们在可见光波段的亮度又极其微弱，因此只有哈勃太空望远镜才能从星团中清晰分辨出这些白矮星。
从2012年底到2015年初之间，哈勃望远镜多次观测了距离我们大约16700光年的球状星团杜鹃座47。这个星团聚集了超过20万颗恒星，因为它距离我们较近，凭哈勃望远镜的分辨力，足以逐个分析星团中央集中的大量恒星，所以它是利用哈勃望远镜研究白矮星质量隔离效应的理想观测目标。
杜鹃座47中的白矮星分布
天文学家利用哈勃望远镜灵敏的第三代广角相机，从紫外波段高分辨率图像中辨识出大约3000个白矮星。研究者通过分析它们的颜色来估计它们的年龄，将其分类为两个年龄段及不同轨道的分组。一组大约有600万年历史，刚开始其迁移旅程；另一组大约有1亿年的历史，已经搬迁到远离星团中心约1.5光年之外的新轨道上了。
杜鹃座47核心区域中年轻白矮星的分布
此前许多天文学家认为，老年恒星在成为白矮星之前约一亿年膨胀为红巨星，并在此阶段通过数次膨胀收缩过程损失掉大部分质量。但哈勃望远镜的观测表明，球状星团中的老年恒星仅用了大约一千万年时间就抛弃了近一半的质量，所以我们才会观察到这些仍在缓慢迁离星团中心的年轻白矮星。因为只有在它们失去质量后，才会被引力作用从核心中排挤出去，如果恒星在更早的时候就已经损失了大部分质量，它们就不会出现在现在的位置上了。
不同年龄与温度的白矮星分布。蓝色的年轻高温白矮星集中在中心区域，红色的老年低温白矮星散布在外围区域
对比结果揭示出这个古老星团中新产生的白矮星是如何经历长达数千万年的迁移，逐渐从拥挤的星团中心迁移到“人烟稀少”的郊区的过程。这个过程相当“缓慢”，它们的轨道以每小时约50公里的速度向外扩张，这大约是汽车在市区的平均行驶速度，直到它们到达更适合其质量的位置为止。
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