天文|意外发现：天文学家重新思考贫金属球状星团理论球状星团|科学|仙

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迄今为止有所记录的最贫金属球状星团的发现，使科学家们重新思考星系和球状星团的形成方式。

一个国际科学小组在夏威夷Keck天文台利用额外观测时间，对隔壁星系——仙女座星系中的一个巨大球状星团进行了快速观察，得到了一个不同寻常的发现。这个星团被称为RBC EXT8 。这是迄今为止观察到的最贫金属球状星团；也就是说，它缺乏恒星在其生命周期中所形成的“更重”或更复杂的元素。图片源于ESASky en CFHT/Astronomie.nl 。

上周（2020年10月15日），一个国际研究小组在Science上发表了一篇论文，宣布发现了迄今为止记录的最贫金属的球状星团。球状星团是在星系的晕中发现的大型高对称性的星团。天文学家所说的“金属” ，并不是指我们日常生活中见到的坚硬的闪闪发光的固体金属，而是指碳，氮，氧，氖，铁和镁这样的在恒星内部形成的比氢和氦重的元素，而氢和氦一般产生于宇宙大爆炸。这个新发现的贫金属球状星团在M31（仙女座星系，银河系附近的大型漩涡星系）中非常显眼，由于它的金属含量太少，使科学家不得不重新审视那些已经被接受的星系形成理论，同时也引发了一些关于球状星团在何时如何形成的疑问。

【天文|意外发现：天文学家重新思考贫金属球状星团理论】根据最新研究，在那个巨大的球状星团RBC EXT8中，有一些金属（重元素）含量非常低的恒星，比在我们自己的太阳内部发现的还要少800倍。整个星团的金属含量比以前记录的金属含量最低的球状星团还要少3倍。
RBC EXT8 在此前未曾得到科学家的重视，因为它的很多特征和其他类似的大型球状星团一样。它的质量约为100万倍太阳质量，说明它可能有大约100万个恒星。跟其他在仙女星系的晕中发现的同类星团一样，被认为形成于整个星系历史的早期。事实上，球状星团中的恒星一般被认为是星系中最老的恒星。除了一些传统的特征之外， RBC EXT8 贫金属的特征与其他球状星团非常不同，即使是那些已知的贫金属球状星团。
这一发现推翻了星系形成的科学理论，让科学家们开始质疑他们所谓的金属丰度界限，即球状星团中可能存在的最低金属含量

荷兰内梅亨大学的天文学家S?ren Larsen领导的研究小组发现了RBC EXT8的贫金属特性。图片来源：安东·潘涅库克天文研究所
这项研究的主要作者、荷兰内梅亨大学的天文学家S?ren Larsen在声明中说：
“我们的研究表明，在宇宙的早期，在含有少量的除氢和氦以外的元素的气体云中就能形成大型球状星团。这十分令人惊讶，因为对于形成大型球状星团来说，这样的如同“小积木”一样的原始气体块太小了。

他这里所说的“小积木“指的是”原星系“ ，有时也称为”原始星系“ ，本质上是正在形成星系的气体云。Larsen说，在仙女座星系中发现了这个”贫金属“的球状星团，意味着关于星系形成的科学理论可能需要一些修改。他说：
大的星系——比如我们的银河系或者仙女座星系——通常认为是由多个小型的原星系云组成的（这些原星系就像组成大型星系的“小积木”一样），而原星系云的质量与它们的金属丰度之间存在着联系。也就是说，大的星系含有更多的金属元素（比氢和氦更重的元素），而金属丰度低的恒星与星团（大部分都是氢和氦）应该是由最小的原星系云形成。

要形成一个像RBC EXT8 这样的贫金属星团，原星系云必须非常小，但质量非常小的原星系云在现在的星系形成理论中，又无法形成如此大质量的星系团。
所以，星系形成理论可能需要一些修改。
在夏威夷凯克天文台的这个发现，让科学家们重新审视他们关于球状星团的理解。他说：

银河系中的一些贫金属球状星团 Messier15 和 ESO 280-SC06 ，含有比太阳少200到300倍的金属（铁元素）。而RBC EXT8现在把已知的金属含量下限又降低了约三分之一。分页标题
这一点非常重要，因为我们认为我们已经明白了为何球状星团的金属含量不能比以往的发现记录更低。现在我们的理论必须要重新修正了，要试图去解释这个金属含量更低的球状星团是如何形成的。

在研究RBC EXT8中用到的光谱（把观测到的星光分成各种颜色），用以理解其较低的镁含量，并与另一个球状星团Messier15做对比。其中蓝色表示RBC EXT8 ，黄色表示Messier15 ，较粗的黑色实线表示对于RBC EXT8的最优模型拟合，黑色虚线表示Messier15的最优模型拟合。
当天文学家用高分辨率光栅光谱仪（HIRES）观察这个球状星团的时候，又发现了一件令人惊讶地事情，他们并没有发现本该发现的铁和镁之间的平衡。大部分的alpha元素（硅，钙，钛）的含量比太阳少400倍，在对其他球状星团的观测基础上，这一点并不意外。但关于另一个alpha元素，镁，则是非常意外。

在这个星系团中，镁的含量比铁更低，比太阳的镁含量低1600倍。这一点令人困惑，因为包含镁在内的alpha元素，在星团中通常比铁的含量要高。科学家并不理解镁元素的这种奇怪的现象。
从天文学家的研究可知，这次奇怪的经验引起了他们对贫金属球状星团RBC EXT8的注意，开始于2019年10月中某一次通过Keck望远镜额外观测的一小时，科学家国际联合组—由来自加州圣克鲁兹大学的Larsen通过Skype在芬兰远程操作—原计划观察球状星团附近的一些星系。 Larsen说本来是在等待天体进入观察范围并试图抓住机会扑捉影像。

暮色降临，在主要目标从地平线升起之前我们必须得等待大概一个小时。这一小时之中我们寻找另一个目标，决定去看看Andromeda galaxy（仙女座星系）的RBC EXT8星团。原先我们并不期待这个星团中有任何让我们惊喜的东西。我们选择它仅仅是因为在此时此地它可被观测，它也是Andromeda galaxy（仙女座）星系里最亮的星团之一。

加州大学天文台的天文学家Aaron Romanowsky和圣何塞州立大学是RBC EXT8的合著者。图源自圣何塞州立大学
加州大学天文台的天文学家AaronRomanowsky和圣何塞州立大学是RBCEXT8的合著者。他说RBCEXT8的发现提醒科学家们永远不要忽视显而易见的东西，因为很可能就会包含着改变科学的惊喜。他说：
我很惊讶这个显而易见的星团就在我们眼皮子底下，它是仙女座星系最亮的星团，而后者已经闻名数十年，然而还没有人仔细地观察过。这表示这个宇宙还有很多惊喜等着我们去发现。同样也提醒我们去重新检视我们的假设，以防我们假设的已经观察足够的星团忽然发现是那么的知之甚少。

欧洲南部天文台命名该图像为“阳光条形码” 。这是一条非常长的太阳光谱，这里截出了上面的一些小块来演示。图源：NOAO/ AURA/ NSF/ ESO
Keck望远镜上的HIRES分光仪分离出来RBCEXT8的光谱的组成是一条彩虹，和一条吸收线—深色区域—基本揭示了该星团中的有多少恒星的光被吸收进了大气。 Larsen说到：
每一个原子都有它自己的排列组合，有一种名为“指纹”的组合，用以测量有多少光被吸收进深色区域，还有多少铁、镁等元素现存于恒星之中。

尽管揭示出了真相，目前的研究仍有许多问题等待着科学家们的解答，但是Larsen和科学小组认为他们可以应对挑战。 Larsen解释到：
这个发现之所以重要是因为它给了我们一个方法，可用以查证星系构成与大量金属相关的理论。
总结：到目前为止最大贫金属球状星团的发现已经让科学家们重新思考星系与球状星团的构成。
作者：Amy Oliver
FY：Astronomical volunteer team
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