北大天文系研究团队发现星团单星族成分重要证据，或终结长达十年争论

恒星是在星团中形成的，一直以来，星团中的恒星被认为由“单星族”组成：即所有恒星来源于同一片气体云塌缩，它们几乎同时形成并包含相同的元素成分，因此，星团中的所有恒星都几乎拥有相同的年龄。然而，对于年龄在10亿到30亿年左右的中年星团，科学家们发现它们的恒星或存在相当显著（约3亿年）的年龄差别，这使得星团的单星族起源陷入了争论当中。

北京大学博士研究生李程远，天文系教授Richard de Grijs和兼职教授邓李才在《自然》杂志上撰文表明：人们对中年星团的星族成分理解或陷入了误区，有力证据显示，中年星团的恒星年龄并不存在显著差别。《自然》杂志的审稿人对这一结果评述说：“这一工作或将终结该领域长达十年的争论。”

核心稳定燃烧氢元素的恒星，其颜色和亮度存在着单调的规律：越大质量的恒星，其亮度越高，颜色也越蓝；反之小质量的恒星则既红且暗，这些恒星稳定的分布在一条贯穿“亮度颜色”二维图的恒星带上，被称为主序带。若星团中的恒星是同时形成的，由于大质量恒星总是率先燃烧完核心的氢元素，它们总会先离开主序带，留下一个清晰的“转折”区域（在转折区域更亮的位置没有任何主序星存在，因为它们已经演化完了），一直以来，转折区域是用来判断星团恒星的年龄成分的重要观测对象。

然而，对中年星团的观测表明，大多数这样的星团存在很明显的转折区域展宽，暗示着星团中的恒星并非同时形成，而是持续形成了将近三亿年，这一现象使得星团天文学家争执不休，一部分天文学家认为，这或许表明单星族模型并不正确，而另一部分天文学家则表示怀疑，因为数值模拟和对年轻星团的观测都表明，星团中并没有足够的气体来维持长达三亿年的恒星形成。

通过分析哈勃太空望远镜的数据，北京大学博士研究生李程远注意到，对于中年星团NGC1651，尽管其存在着显著的宽转折区域，其对应的亚巨星分支却十分狭窄。“亚巨星分支是恒星转折区域的下一个阶段，它和恒星的转折区域紧紧的连接在一起，若恒星的确包含不同年龄的成分，那么它们应该同时呈现出展宽的转折区域和亚巨星分支”，李程远解释说，“就好像曼妙的长腿长在了虎背熊腰的躯干上，显得十分不协调。”

下图展示了NGC1651恒星的赫罗图，即亮度（纵轴，越往上越亮）颜色（等效于温度，横轴，越往左越蓝）图，模型计算表明，恒星的主序转折区域预示着存在恒星至少4.5亿年的年龄差别，然而紧随其后的亚巨星分支却十分的狭长，它们完全分布在对应年轻星族的理论曲线附近，并不需要任何年龄差别来解释。

“利用亚巨星分支来计算恒星的年龄成分非常聪明，因为它是主序转折区域的重要延展，并且它们不受到恒星旋转的影响，而旋转则对主序转折区域影响巨大”，李程远的博士研究生导师，Richard de Grijs教授评论说。

而更重要的是，研究团队指出，这一奇特性质并不局限于星团NGC1651，对于另外至少5个中年星团，都呈现出了相似的性质。“一定存在某种机制，使得恒星演化到主序转折区域时出现了颜色和亮度上的弥散，然而，这一机制在恒星演化到亚巨星分支后便失效了”，李程远的副导师，天文系兼职教授邓李才说。

“这一发现令人鼓舞，它将终结该领域接近十年的争论”，《自然》杂志的审稿人评述说，“第一次发现如此强烈的证据，能确凿无疑地排除星团恒星的年龄弥散悬疑，它使得我们对星团的星族演化有了更深的认识”，这一工作于12月17日在英国《自然》杂志上以快报形式在线发表（Nature 516, 367–369）。

星团是连接星系和恒星的桥梁，它既是组成星系的基本单位，也是恒星形成的基本形式，几乎所有的恒星都在星团中形成，理解星团的星族对星系和恒星的演化理论有着重大的影响。“尽管对星团的观测已经持续了近三百年，但直到今天，它们依然深不可测”，李程远表示，“是时候重新审视我们过去对它们的认识了。”