计算机模拟星团中星体碰撞融合过程

球形星团据信是宇宙中最古老的星团。测定宇宙年龄的一种方法就是通过测定球形星团中古老星体的年龄来估测宇宙年龄的下限。对银河系球形星团的观测发现了许多震撼人心的大变动。天文学家指出如果我们能够在距离星团核心较近的区域观察这些球形星团，我们会发现那里的夜空无比绚丽多彩。罗伯特-伊里恩（Robert Irion）教授的文章“银河系中不平静的群星”集中介绍了在银河系球形星团中观察到的壮观景象。

群星荟萃的银河星团47 Tucanae核心，来源：NASA（美国航空航天局）

在地球上，在距离太阳几光年之内我们只能看到为数不多的几个恒星，但是在这些球形星团附近却有十万个以上的恒星。这么多星体荟萃在这么小的空间里，因此星团里面热闹非凡，众多的双星系统以几小时，甚至以几分钟为周期互相环绕着，脉冲星一分钟自转上1000周，他们运动的轨道互相交叉穿越。在计算机模拟图象中，众多的星体就象绕着街灯飞行的一大群飞蛾。星体之间的相互作用的景象使人眼花缭乱。星团中星体的相互作用使许多星体被抛射到星团外围或远离星团的空间；许多星体甚至互相碰撞成为新星体。在球形星团中发生这种碰撞的机率比在其它区域要高达十亿倍以上。这些相互作用吸引了许多天文学家。

科学家从哈勃望远镜和钱德勒X-射线观测仪的观测结果和计算机模拟中发现星团中星体的演化和星团的动力学息息相关，每一个星体的变化都对周围环境发生重要的影响，从而影响着其它星体的变化。

星团中的双星系统是科学家们感兴趣的对象之一。科学家们把双星系统比作含有两个原子的分子系统，虽然两个系统的尺寸相差很大，双星系统由星体而非原子组成，但是科学家们认为两个系统有着相同的物理实质。双星系统的行为受整个星团密度的影响。当星团膨胀时，其中的星体距离不是太近，双星系统和其他星体的碰撞机会很少。但是星团中星体的相互吸引不可避免地使星团体积缩小。当双星系统与另外一个星体靠近时，另外的星体可以从双星系统获得能量从而使双星系统互相环绕的轨道变小。有时第三个星体甚至取代双星系统中的一个并且把它抛出星团之外。科学家们把这个过程叫做星团中星体的“蒸发”。这种交换使得星团密度变小，避免星团核心的坍缩，但是从长远来看，也使得星团的生存受到威胁，星团的寿命可达10亿，100亿甚至更高，取决于它的最初质量和含有双星系统的数目。

计算表明星团中如果有5%到10%的星体是双星就足以使星团通过以上描述的蒸发过程从而避免星团的坍缩。理论预测当星团核心坍缩时蒸发过程应该很快使核心反弹，从而避免星团的坍缩，因此我们应该观测不到这种坍缩的系统。但是在银河系星团中天文学家们观察到了为数众多的星团核心坍缩的例子，观测发现大约有20%的银河星团发生了核心的坍缩。因此观测和理论预测在这里发生了严重的冲突，至今仍然没有一个物理理论对这种核心坍缩给出令人信服的解释。

球形星团给天文学家研究星体在密集状态的行为提供了一个机会，其中星体的不寻常活动对天文学家来说也充满了神秘。

参考资料：
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/299/5603/60