天文学中的数值模拟:编外篇之九·银河系中最古老的恒星何在?
在一个星系之中,不同年龄的恒星并非均匀分布。在银河系这样的盘星系中,大体的规律是恒星距离星系盘的距离越近则普遍越年轻;核球中的星族整体来看也比盘中的更为古老。对于宇宙演化而言,最古老的恒星因为所蕴含的银河系早期历史信息而显得尤为重要。
银河系中不同恒星族群的大体分布。
那么银河系中最古老的恒星究竟位于何方?又或者说,什么样的恒星可以被称为最古老?当然,从观测上直接测量恒星的年龄就算不是不可能,也是非常困难的,所以天文学家一般以金属丰度作为判断指标——宇宙中最古老的恒星形成之时,可以利用的元素基本上只有氢和氦;原子序数更大的重元素绝大多数都是在随后的恒星演化过程中逐渐合成的。所以一颗恒星形成年代越晚,其中的重元素成分普遍而言也就越多。这样一来,找寻最古老恒星的问题也就转换成了搜索贫金属星的操作。
近些年来,随着大型光谱巡天的开展,研究者已经在相关领域取得了不少观测方面的成果,并认识到稀疏而辽阔的银晕中蕴含着大量的贫金属星。但是冷暗物质理论对此却有不同看法:在银河系这样的星系中,最古老的恒星应该分布于银心或星系晕内区,不过前者受银河系早期猛烈的产星活动影响,金属丰度较晕中的同龄恒星为高。在这样的背景下,为了进一步了解早期恒星的真实分布,并更好地认识观测结果,最近由加州大学伯克利分校的Kareem El-Badry牵头的国际合作小组借助数值模拟的手段,考察了模拟星系中的恒星年龄。
El-Badry等人的工作其实是在美国西北大学主持、基于GIZMO流体动力学代码的FIRE模拟的基础上进行的。FIRE的宗旨是在更为真实的环境下,以能够解析出单个星系中星际介质分布的分辨率模拟宇宙的演化,勾勒出每个星系在成长过程中的形态变化、气体流动、电离光子的散逸以及反馈效应,这其中涉及的物理过程较传统的暗物质模拟复杂得多。这次El-Badry的团队所针对的不过是FIRE模拟中的3个银河系级星系,当然,在最初的大尺度模拟之后,它们又得到了进一步的放大研究。
FIRE模拟生成的银河系级星系示例,左为大尺度气体分布图,中为恒星分布的正视图,右为恒星分布的侧视图。(图片提供:The FIRE project)
这3个星系都位于0红移处,换句话说,它们都是当代的星系。在整体结构上,无论是盘面与核球的比例、星系晕的分布、自转曲线,还是伴星系的分布,它们于银河系都存在较大的相似之处,而且恒星质量也都相当于太阳的1000亿倍左右;不过三者的演化历史却有较大的区别。但对于恒星形成而言,考虑过程中的不确定性颇多,FIRE模拟并未将最原始的零金属恒星(星族III)包括在内,其初始条件只是一个相当低的金属丰度而已。另外在针对个别星系的放大模拟结果中,每个粒子代表的其实是一个年龄、金属含量和初始质量(典型值取为太阳的7070倍)都相同的星族,而非单个恒星。
通过模拟进行考察的优势在于整个过程的可跟踪性,我们完全可以知道哪个星族究竟在何时形成。假设在模拟星系中相当于太阳所在的位置存在观测者,从TA的视角看去,效果就是下图这样的,乍看上去确实很像从地面看到的银河系:
上图是假想观测者所见的模拟星系全景,下图只描绘了红移大于5的时代形成的星族。(图片来源:El-Badry et al. 2018)
如果只考察年老恒星的话,可见它们更多是从星系中心向外均匀排列成密度逐渐减低的椭球状,这与冷暗物质已有的预言一致。但如果要以为这样的分布可以指导观测者多多关注银心就有问题了,因为较晚近诞生的恒星相对星系中心的集中同样很明显,甚至银心方向的古老恒星比例反而是最低的,星系的外围才是更好的选择。
从金属丰度来看,形成时间跟铁元素相对氢元素的关系却没有那么简单,至少并不是单调变化的。又或者说,在同期形成的恒星,其金属丰度的分布范围很可能较广,因此金属丰度同年龄的组合存在很大的简并度。所以在天空中单纯搜索金属丰度最低的恒星作为标准,反而很可能会错过形成年代更早的一部分,这也是现今观测的实情。至于运动学方面,模拟所得的最古老恒星主要在近圆形的离散轨道上运动,与星系自转无关,这同新一代恒星沿星系盘集中的情况迥异,但与中等年龄的恒星区别又不是太大。
模拟星系中不同年代形成的恒星的金属丰度分布,红色虚线表示位于中值的68%的星族的分布区间。(图片来源:El-Badry et al. 2018)
那么这些古老的恒星是在何地形成的?至少在模拟星系中,大部分这样的天体都是从其他星系俘获而来的,而剩下由自身形成的那部分恒星在随后的演化中也有向外迁移的趋势。总的来说,外部形成的星系银心距偏大,但针对个别星族也需要具体问题具体分析。
只是将这篇论文的结果用于指导实际观测并不容易,毕竟简单而又精确地估算恒星年龄至今都是个难题。不过换一个角度说,如果有朝一日我们真的能够发现一种可靠测定年龄的方法,那么观测而得的年老恒星分布倒是有望用于改进理论模型。