球状星团形成新机制：吸积极超大质量恒星解释元素丰度异常之谜

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：Globular cluster formation from inertial inflows: accreting extremely massive stars as the origin of abundance anomalies

本研究针对球状星团中普遍存在的化学元素丰度异常问题，提出基于惯性流入模型的吸积极超大质量恒星形成理论。研究人员通过建立参数化模型，发现质量超过103-104 M⊙的极超大质量恒星在持续吸积过程中释放的热氢燃烧产物，可完美解释球状星团中观测到的氦元素扩散、镁铝反相关等特征。该模型为理解早期宇宙特殊天体形成环境提供了新视角。

　　

在浩瀚的宇宙中，球状星团如同古老的恒星城市，它们聚集着成千上万颗恒星，其中一些星团的年龄甚至接近宇宙本身。这些星团最令天文学家困惑的特征是其中恒星化学组成的异常现象——同一星团内不同恒星在氦、氮、钠等轻元素含量上表现出显著差异，这种特征在银河系场星中极为罕见。更令人费解的是，这些异常模式与高温氢燃烧核反应产物高度吻合，但球状星团中的低质量恒星内部温度根本达不到产生此类核反应的条件。

传统理论试图用渐近巨星分支恒星或快速旋转大质量恒星等"污染源"来解释这一现象，但始终无法完美解决"质量预算问题"——即需要污染源提供足够多的核合成物质来解释观测到的丰度模式。随着观测技术的进步，特别是在詹姆斯·韦伯太空望远镜投入使用后，天文学家在高红移星系中发现了更多氮元素异常丰富的天体，这使得球状星团形成之谜变得更加紧迫。

在这项发表于《皇家天文学会月报》的研究中，Mark Gieles领导的国际团队提出了一个创新性的解决方案：他们基于惯性流入大质量恒星形成模型，将这一理论扩展到球状星团形成尺度。该模型的核心思想是，最大恒星质量与母云质量呈线性关系，因此在质量超过10⁵ M_⊙的球状星团中，会自然形成质量达10³-10⁴ M_⊙的极超大质量恒星。

研究团队建立了一个参数化模型来描述球状星团形成过程中恒星质量函数的演化，同时考虑了气体流入、恒星风质量损失以及极超大质量恒星产物与原始气体的混合过程。模型预测，低质量恒星持续从这种混合气体中形成，其化学丰度特征与观测到的球状星团质量-金属度关系高度一致。

关键技术方法包括：基于惯性流入理论的恒星形成模型构建、考虑吸积与恒星风平衡的恒星质量演化计算、热氢燃烧核合成产物分析、以及观测数据与模型预测的系统对比。研究人员特别关注了恒星形成时间尺度、最大吸积率、金属度依赖的恒星风质量损失率等关键参数，并利用已有的大质量恒星核合成计算结果进行丰度预测。

恒星形成模型的标度关系：

研究团队发现，在惯性流入模型中，恒星形成时间尺度t_f与最终质量m_f的关系为t_f ∝ m_f^1/2，最大恒星质量由m_f,max = εM_g决定，其中ε ≈ 2.5×10^-3为通用参数。这一关系意味着在质量达6×10⁶ M_⊙的气体云中，可形成质量超过10⁴ M_⊙的极超大质量恒星。

吸积与恒星风的平衡机制：

极超大质量恒星在持续吸积过程中，恒星风质量损失率逐渐增加，最终与吸积率达到平衡。模型显示，平衡质量m_∞ = 100 M_⊙ × (?_acc/?_wind,100(Z))^1/2，平衡时间尺度τ_∞ = 100 M_⊙/(?_acc?_wind,100(Z))^1/2。对于典型参数，极超大质量恒星可在约1Myr内达到平衡状态。

化学丰度预测与观测对比：

研究人员通过积分恒星风产物与原始气体的混合过程，预测了低质量恒星的化学丰度特征。模型成功再现了观测到的氦增丰(ΔY_P2,P1 ≈ 0.01)随星团质量增加的现象，以及污染恒星比例f_P2随星团质量和金属度增加的趋势。

镁-铝反相关的质量-金属度依赖：

研究显示，极超大质量恒星的中心温度T_c决定了核合成产物特征。对于质量在(1-5)×10³ M_⊙、ΔY ≈ 0.1的恒星，氢燃烧温度约63-71MK，正好对应镁消耗和铝增丰所需的温度范围。模型预测镁铝反相关在低金属度、大质量球状星团中更为显著，与观测结果一致。

锂元素丰度的验证：

模型预测极超大质量恒星产物应几乎不含锂元素，因此P2恒星锂丰度应低于P1恒星。观测数据支持这一预测，在Na富集恒星中确实观测到Li-Na反相关关系，为极超大质量恒星作为污染源提供了独立证据。

研究结论与意义：

这项研究首次将惯性流入模型成功应用于球状星团形成尺度，提出吸积极超大质量恒星是解决球状星团化学丰度异常问题的关键机制。模型不仅自然解释了多个种群的离散性、质量预算问题、氦扩散大小等长期困扰天文学家的难题，还预测了极超大质量恒星在早期宇宙星系中的普遍存在。

该理论的另一个重要推论是球状星团可能形成中等质量黑洞。模型预测典型球状星团可产生数十个质量超过120M_⊙的黑洞，这些黑洞的并合事件可能被当前引力波探测器探测到，为理论提供观测检验。

随着詹姆斯·韦伯太空望远镜等高灵敏度设备投入观测，天文学家有望直接探测到高红移星系中的极超大质量恒星特征，进一步验证这一理论模型。该研究不仅解决了球状星团形成的基本问题，还为理解早期宇宙恒星形成环境提供了新视角，将推动星系形成演化研究的深入发展。