迄今爲止有所記錄的最貧金屬球狀星團的發現，使科學家們重新思考星系和球狀星團的形成方式。

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現。這個星團被稱爲RBC EXT8。這是迄今爲止觀察到的最貧金屬球狀星團；也就是說，它缺乏恆星在其生命週期中所形成的“更重”或更復雜的元素。圖片源於ESASky en CFHT/Astronomie.nl。

上週（2020年10月15日），一個國際研究小組在Science上發表了一篇論文，宣佈發現了迄今爲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現的大型高對稱性的星團。天文學家所說的“金屬”，並不是指我們日常生活中見到的堅硬的閃閃發光的固體金屬，而是指碳，氮，氧，氖，鐵和鎂這樣的在恆星內部形成的比氫和氦重的元素，而氫和氦一般產生於宇宙大爆炸。這個新發現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，由於它的金屬含量太少，使科學家不得不重新審視那些已經被接受的星系形成理論，同時也引發了一些關於球狀星團在何時如何形成的疑問。

根據最新研究，在那個巨大的球狀星團RBC EXT8中，有一些金屬（重元素）含量非常低的恆星，比在我們自己的太陽內部發現的還要少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，因爲它的很多特徵和其他類似的大型球狀星團一樣。它的質量約爲100萬倍太陽質量，說明它可能有大約100萬個恆星。跟其他在仙女星系的暈中發現的同類星團一樣，被認爲形成於整個星系歷史的早期。事實上，球狀星團中的恆星一般被認爲是星系中最老的恆星。除了一些傳統的特徵之外，RBC EXT8 貧金屬的特徵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。

這一發現推翻了星系形成的科學理論，讓科學家們開始質疑他們所謂的金屬丰度界限，即球狀星團中可能存在的最低金屬含量

荷蘭內梅亨大學的天文學家Søren Larsen 領導的研究小組發現了RBC EXT8的貧金屬特性。圖片來源：安東·潘涅庫克天文研究所

這項研究的主要作者、荷蘭內梅亨大學的天文學家Søren 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雲中就能形成大型球狀星團。這十分令人驚訝，因爲對於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。

他這裏所說的“小積木“指的是”原星系“，有時也稱爲”原始星系“，本質上是正在形成星系的氣體雲。 Larsen說，在仙女座星系中發現了這個”貧金屬“的球狀星團，意味着關於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——通常認爲是由多個小型的原星系雲組成的（這些原星系就像組成大型星系的“小積木”一樣），而原星系雲的質量與它們的金屬丰度之間存在着聯繫。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），而金屬丰度低的恆星與星團（大部分都是氫和氦）應該是由最小的原星系雲形成。

要形成一個像RBC EXT8 這樣的貧金屬星團，原星系雲必須非常小，但質量非常小的原星系雲在現在的星系形成理論中，又無法形成如此大質量的星系團。

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現，讓科學家們重新審視他們關於球狀星團的理解。他說：

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，因爲我們認爲我們已經明白了爲何球狀星團的金屬含量不能比以往的發現記錄更低。現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。

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，並與另一個球狀星團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於RBC EXT8的最優模型擬合，黑色虛線表示Messier15的最優模型擬合。

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，又發現了一件令人驚訝地事情，他們並沒有發現本該發現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上，這一點並不意外。但關於另一個alpha元素，鎂，則是非常意外。

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，因爲包含鎂在內的alpha元素，在星團中通常比鐵的含量要高。科學家並不理解鎂元素的這種奇怪的現象。

從天文學家的研究可知，這次奇怪的經驗引起了他們對貧金屬球狀星團RBC EXT8的注意，開始於2019年10月中某一次通過Keck望遠鏡額外觀測的一小時，科學家國際聯合組—由來自加州聖克魯茲大學的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範圍並試圖抓住機會撲捉影像。

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。原先我們並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爲在此時此地它可被觀測，它也是Andromeda galaxy（仙女座）星系裏最亮的星團之一。

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

加州大學天文臺的天文學家AaronRomanowsky和聖何塞州立大學是RBCEXT8的合著者。他說RBCEXT8的發現提醒科學家們永遠不要忽視顯而易見的東西，因爲很可能就會包含着改變科學的驚喜。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，而後者已經聞名數十年，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着我們去發現。同樣也提醒我們去重新檢視我們的假設，以防我們假設的已經觀察足夠的星團忽然發現是那麼的知之甚少。

歐洲南部天文臺命名該圖像爲“陽光條形碼”。這是一條非常長的太陽光譜，這裏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—深色區域—基本揭示了該星團中的有多少恆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，有一種名爲“指紋”的組合，用以測量有多少光被吸收進深色區域，還有多少鐵、鎂等元素現存於恆星之中。

儘管揭示出了真相，目前的研究仍有許多問題等待着科學家們的解答，但是Larsen和科學小組認爲他們可以應對挑戰。Larsen解釋到：

這個發現之所以重要是因爲它給了我們一個方法，可用以查證星系構成與大量金屬相關的理論。

總結：到目前爲止最大貧金屬球狀星團的發現已經讓科學家們重新思考星系與球狀星團的構成。

作者：Amy Oliver

FY：Astronomical volunteer team

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