迄今為止有所記錄的最貧金屬球狀星團的發(fā)現(xiàn)，使科學家們重新思考星系和球狀星團的形成方式。

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一個國際科學小組在夏威夷Keck天文臺利用額外觀測時間，對隔壁星系——仙女座星系中的一個巨大球狀星團進行了快速觀察，得到了一個不同尋常的發(fā)現(xiàn)。這個星團被稱為RBC EXT8。這是迄今為止觀察到的最貧金屬球狀星團；也就是說，它缺乏恒星在其生命周期中所形成的“更重”或更復雜的元素。圖片源于ESASky en CFHT/Astronomie.nl。

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上周（2020年10月15日），一個國際研究小組在Science上發(fā)表了一篇論文，宣布發(fā)現(xiàn)了迄今為止記錄的最貧金屬的球狀星團。球狀星團是在星系的暈中發(fā)現(xiàn)的大型高對稱性的星團。天文學家所說的“金屬”，并不是指我們?nèi)粘Ｉ钪幸姷降膱杂驳拈W閃發(fā)光的固體金屬，而是指碳，氮，氧，氖，鐵和鎂這樣的在恒星內(nèi)部形成的比氫和氦重的元素，而氫和氦一般產(chǎn)生于宇宙大爆炸。這個新發(fā)現(xiàn)的貧金屬球狀星團在M31（仙女座星系，銀河系附近的大型漩渦星系）中非常顯眼，由于它的金屬含量太少，使科學家不得不重新審視那些已經(jīng)被接受的星系形成理論，同時也引發(fā)了一些關(guān)于球狀星團在何時如何形成的疑問。

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根據(jù)最新研究，在那個巨大的球狀星團RBC EXT8中，有一些金屬（重元素）含量非常低的恒星，比在我們自己的太陽內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的還要少800倍。整個星團的金屬含量比以前記錄的金屬含量最低的球狀星團還要少3倍。

RBC EXT8 在此前未曾得到科學家的重視，因為它的很多特征和其他類似的大型球狀星團一樣。它的質(zhì)量約為100萬倍太陽質(zhì)量，說明它可能有大約100萬個恒星。跟其他在仙女星系的暈中發(fā)現(xiàn)的同類星團一樣，被認為形成于整個星系歷史的早期。事實上，球狀星團中的恒星一般被認為是星系中最老的恒星。除了一些傳統(tǒng)的特征之外，RBC EXT8 貧金屬的特征與其他球狀星團非常不同，即使是那些已知的貧金屬球狀星團。

這一發(fā)現(xiàn)推翻了星系形成的科學理論，讓科學家們開始質(zhì)疑他們所謂的金屬豐度界限，即球狀星團中可能存在的最低金屬含量

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荷蘭內(nèi)梅亨大學的天文學家S?ren Larsen 領(lǐng)導的研究小組發(fā)現(xiàn)了RBC EXT8的貧金屬特性。圖片來源：安東·潘涅庫克天文研究所

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這項研究的主要作者、荷蘭內(nèi)梅亨大學的天文學家S?ren Larsen在聲明中說：

“我們的研究表明，在宇宙的早期，在含有少量的除氫和氦以外的元素的氣體云中就能形成大型球狀星團。這十分令人驚訝，因為對于形成大型球狀星團來說，這樣的如同“小積木”一樣的原始氣體塊太小了。

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他這里所說的“小積木“指的是”原星系“，有時也稱為”原始星系“，本質(zhì)上是正在形成星系的氣體云。 Larsen說，在仙女座星系中發(fā)現(xiàn)了這個”貧金屬“的球狀星團，意味著關(guān)于星系形成的科學理論可能需要一些修改。他說：

大的星系——比如我們的銀河系或者仙女座星系——通常認為是由多個小型的原星系云組成的（這些原星系就像組成大型星系的“小積木”一樣），而原星系云的質(zhì)量與它們的金屬豐度之間存在著聯(lián)系。也就是說，大的星系含有更多的金屬元素（比氫和氦更重的元素），而金屬豐度低的恒星與星團（大部分都是氫和氦）應(yīng)該是由最小的原星系云形成。

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要形成一個像RBC EXT8 這樣的貧金屬星團，原星系云必須非常小，但質(zhì)量非常小的原星系云在現(xiàn)在的星系形成理論中，又無法形成如此大質(zhì)量的星系團。

所以，星系形成理論可能需要一些修改。

在夏威夷凱克天文臺的這個發(fā)現(xiàn)，讓科學家們重新審視他們關(guān)于球狀星團的理解。他說：

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銀河系中的一些貧金屬球狀星團 Messier15 和 ESO 280-SC06， 含有比太陽少200到300倍的金屬（鐵元素）。而RBC EXT8現(xiàn)在把已知的金屬含量下限又降低了約三分之一。

這一點非常重要，因為我們認為我們已經(jīng)明白了為何球狀星團的金屬含量不能比以往的發(fā)現(xiàn)記錄更低。現(xiàn)在我們的理論必須要重新修正了， 要試圖去解釋這個金屬含量更低的球狀星團是如何形成的。

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在研究RBC EXT8中用到的光譜（把觀測到的星光分成各種顏色），用以理解其較低的鎂含量，并與另一個球狀星團Messier15做對比。其中藍色表示RBC EXT8，黃色表示Messier15，較粗的黑色實線表示對于RBC EXT8的最優(yōu)模型擬合，黑色虛線表示Messier15的最優(yōu)模型擬合。

當天文學家用高分辨率光柵光譜儀（HIRES）觀察這個球狀星團的時候，又發(fā)現(xiàn)了一件令人驚訝地事情，他們并沒有發(fā)現(xiàn)本該發(fā)現(xiàn)的鐵和鎂之間的平衡。大部分的alpha元素（硅，鈣，鈦）的含量比太陽少400倍，在對其他球狀星團的觀測基礎(chǔ)上，這一點并不意外。但關(guān)于另一個alpha元素，鎂，則是非常意外。

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在這個星系團中，鎂的含量比鐵更低，比太陽的鎂含量低1600倍。這一點令人困惑，因為包含鎂在內(nèi)的alpha元素，在星團中通常比鐵的含量要高?？茖W家并不理解鎂元素的這種奇怪的現(xiàn)象。

從天文學家的研究可知，這次奇怪的經(jīng)驗引起了他們對貧金屬球狀星團RBC EXT8的注意，開始于2019年10月中某一次通過Keck望遠鏡額外觀測的一小時，科學家國際聯(lián)合組—由來自加州圣克魯茲大學的Larsen通過Skype在芬蘭遠程操作—原計劃觀察球狀星團附近的一些星系。Larsen說本來是在等待天體進入觀察范圍并試圖抓住機會撲捉影像。

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暮色降臨，在主要目標從地平線升起之前我們必須得等待大概一個小時。這一小時之中我們尋找另一個目標，決定去看看Andromeda galaxy（仙女座星系）的RBC EXT8星團。原先我們并不期待這個星團中有任何讓我們驚喜的東西。我們選擇它僅僅是因為在此時此地它可被觀測，它也是Andromeda galaxy（仙女座）星系里最亮的星團之一。

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加州大學天文臺的天文學家Aaron Romanowsky和圣何塞州立大學是RBC EXT8的合著者。圖源自圣何塞州立大學

加州大學天文臺的天文學家AaronRomanowsky和圣何塞州立大學是RBCEXT8的合著者。他說RBCEXT8的發(fā)現(xiàn)提醒科學家們永遠不要忽視顯而易見的東西，因為很可能就會包含著改變科學的驚喜。他說：

我很驚訝這個顯而易見的星團就在我們眼皮子底下，它是仙女座星系最亮的星團，而后者已經(jīng)聞名數(shù)十年，然而還沒有人仔細地觀察過。這表示這個宇宙還有很多驚喜等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。同樣也提醒我們?nèi)ブ匦聶z視我們的假設(shè)，以防我們假設(shè)的已經(jīng)觀察足夠的星團忽然發(fā)現(xiàn)是那么的知之甚少。

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歐洲南部天文臺命名該圖像為“陽光條形碼”。這是一條非常長的太陽光譜，這里截出了上面的一些小塊來演示。圖源：NOAO/ AURA/ NSF/?ESO

Keck望遠鏡上的HIRES分光儀分離出來RBCEXT8的光譜的組成是一條彩虹，和一條吸收線—深色區(qū)域—基本揭示了該星團中的有多少恒星的光被吸收進了大氣。Larsen說到：

每一個原子都有它自己的排列組合，有一種名為“指紋”的組合，用以測量有多少光被吸收進深色區(qū)域，還有多少鐵、鎂等元素現(xiàn)存于恒星之中。

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盡管揭示出了真相，目前的研究仍有許多問題等待著科學家們的解答，但是Larsen和科學小組認為他們可以應(yīng)對挑戰(zhàn)。Larsen解釋到：

這個發(fā)現(xiàn)之所以重要是因為它給了我們一個方法，可用以查證星系構(gòu)成與大量金屬相關(guān)的理論。

總結(jié)：到目前為止最大貧金屬球狀星團的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)讓科學家們重新思考星系與球狀星團的構(gòu)成。

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作者：Amy Oliver

FY：Astronomical volunteer team

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