夜空是一片星海。在每个方向，明亮和昏暗的星星布满了地平线。有些星星似乎形成了独特的图案，我们将其识别为星座。然而，尽管这些图案可能很迷人，但它们大多数只不过是人类思维的投射。在我们自己的星系和其他星系中，绝大多数恒星彼此之间没有真正的物理联系。至少，现在没有了。实际上，每颗恒星都以群体的形式开始其生命，周围环绕着年龄几乎相同的兄弟姐妹，这些兄弟姐妹后来才逐渐分离。天文学家之所以知道这一点，是因为一些被称为星团的恒星摇篮仍然存在。“猎户座星云星团”可能是最著名的星团之一：在哈勃太空望远镜拍摄的图像中，它的恒星在尘埃和气体翻滚的云层中闪烁。你可以从后院看到昴星团：它是金牛座中的模糊斑块。
星团差异巨大，从只有几十个成员的脆弱星协到多达一百万颗恒星的密集聚合体。有些星群非常年轻——只有几百万年的历史——而另一些则可以追溯到宇宙的黎明时期。在星团内部，我们可以找到处于恒星生命周期各个阶段的恒星。事实上，对星团的观测为今天公认的关于单个恒星如何随时间演化的理论提供了主要证据。恒星演化理论是20世纪天体物理学的伟大成就之一。
然而，对于星团本身的内部运作和演化，我们知之甚少。天文学家观察到的各种形式是如何产生的？我们对单个恒星的了解远多于对其形成的摇篮的了解！
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20年前，当我开始与意大利佛罗伦萨Arcetri天体物理天文台的弗朗切斯科·帕拉合写一本关于恒星形成的 graduate 教材时，我第一次意识到这种情况的讽刺之处。当时，我们两人经常在加利福尼亚州伯克利和佛罗伦萨之间互访。当我们追踪这个丰富领域的众多研究线索时，关于星团的未解之谜总是萦绕在我们的脑海中。
一天下午，当我们在斯特拉达咖啡馆（自然而然地位于伯克利）休息时，一个答案的萌芽出现在我的脑海中。也许相同的物理力塑造了所有星团，无论它们目前的年龄和大小如何。也许一个简单的变量可以解释这些力如何作用于单个星团：每个星团诞生的母云的质量。我将花费随后几十年的大部分时间来收集证据来支持这个预感。
多云，有机会看到星光
当我开始这项工作时，天文学家对恒星如何形成以及它们形成的星团类型了解很多。恒星不是从空旷的空间中凭空产生的；相反，它们是在主要由氢分子以及其他元素和少量尘埃组成的巨大云团中结合而成的。这些所谓的分子云分布在所有星系中，并且每个分子云都施加引力——不仅对云外部的恒星和其他物体，而且对云本身的区域也施加引力。由于云自身的引力，气体和尘埃特别密集的区域会坍缩成原恒星。通过这种方式，从几十个到数千个恒星的星团可以从单个分子云中产生。
星团通常分为五种类型，部分根据其年龄区分，部分根据其包含的恒星数量和密度区分。最年轻的恒星群，称为嵌入式星团，位于云层中，云层如此浓厚，以至于从其成员恒星辐射出的可见波长光线完全被遮蔽。相反，我们只能看到嵌入式恒星加热的尘埃的红外辉光，并且无法辨别这些原始星团的详细结构。它们仍然是一个持久的谜。
相比之下，球状星团是最古老、人口最多的恒星群。它们可以追溯到宇宙的黎明时期，并且可以包含多达一百万颗非常紧密地聚集在一起的恒星。这些成熟星团的母云已经消失，内部的恒星完全可见。然而，最近的球状星团位于银河系盘之外的某个地方，因此天文学家也很难详细研究它们。
因此，出于实际原因，我将我的理论限制在银河系平面中出现的三种类型的星团，因此可以最好地看到它们。其中最稀疏的一种称为T星协，因为它主要由最常见的年轻恒星类型组成，称为金牛T星。（我们的太阳在年轻时是一颗金牛T星。）每个T星协都包含多达数百颗被母云包围但未完全遮蔽的恒星。T星协不会长时间保持在一起：观察到的最古老的T星协大约有五百万年的历史——从宇宙的角度来看只是眨眼之间。
科学家们早就知道，T星协中母云的质量远大于其集体恒星后代的质量。我认为这个特征解释了这些星团的短暂寿命。质量决定了引力的强度：质量越大，引力就越强。因此，如果T星协中母云的质量远大于其成员恒星的质量，那么一定是云的引力——而不是恒星彼此施加的引力——将星团维系在一起。如果云消散，恒星就会飘散开来。天文学家认为，恒星风——从恒星中强力向外喷射的气体——最终会剥离T星协的母云，从而释放先前束缚的恒星进入太空。
在银河系中容易观察到的第二种恒星群以两种非凡的恒星命名，分别称为O型和B型，它们是宇宙中最明亮和质量最大的恒星。这些星团被称为OB星协，通常比T星协的恒星数量多约10倍，其中包括一些O型和B型恒星。“猎户座星云星团”就是一个熟悉的例子；它位于约1500光年之外，由四颗真正的大质量恒星和约2000颗较小的恒星组成，其中包括许多金牛T星。它拥有我们银河系中恒星密度最高的区域。
所有年轻的OB星协都具有相似的高密度，并且都来自特别巨大的母云。然而，尽管这些系统内部存在巨大的引力，但较老的OB星协中的恒星不仅在逐渐分散，而且还在积极地将自己抛射到太空中。天文学家之所以知道这一点，是因为相隔几十年拍摄的成熟OB星协的图像显示，成员恒星彼此之间的距离越来越远。
这种快速分散的一个原因是恒星最初移动速度非常快。OB星协中母云的巨大引力促使恒星成员以高速轨道运行。年轻的OB星协中充满了这些速度极快的恒星，一旦母云减少，它们就准备逃离星团。在OB星协中，母云正受到O型和B型恒星在其短暂生命周期中释放出的强烈紫外线辐射的围攻。这些恒星的能量来源是核聚变，就像我们的太阳一样，但它们燃烧得更加猛烈。例如，一颗典型的O型恒星的质量是太阳的30倍，但它的燃料在短短几百万年内就会耗尽。
在这个自焚过程中，紫外线辐射从恒星中射出并电离周围的气体——实际上，烧毁了母云。“猎户座星云星团”中的尘埃和气体因这种电离而发光。随着母云被烧毁，其引力减弱。当大质量恒星最终消亡并且母云消失时，系统的引力再也无法容纳那些较小、速度极快的恒星，它们将被远远抛射出去。
因此，T星协和OB星协都会自行解散，无论是通过温和的损耗还是剧烈的扰动。然而，银河系中第三种不太常见的恒星群却非常稳定。这些星群被称为疏散星团，拥有多达1000颗普通恒星，并且持续数亿甚至数十亿年。然而，它们的分子云和任何相关的引力早已消失。
昴星团就是这样一个星团。它有1.25亿年的历史，其母云可能已经消失了1.2亿多年。同样著名的毕星团，在天空中离昴星团不远，有6.3亿年的历史。在我们银河系的外围，居住着数十个更古老的疏散星团。星团M67，一个由1000颗恒星组成的系统，在四十亿年前诞生。
即使是疏散星团也不是不朽的；很少有比M67更古老的。天文学家认为，最终，附近经过的分子云的引力开始撕裂和分散这些系统。然而，它们仍然提出了一个令人困惑的问题。在过去的几十年里，研究人员已经对母云的消散如何导致T星协和OB星协解体提出了令人满意的解释。但是，他们仍然没有答案来解释为什么疏散星团中的恒星在云消散后仍然能够保持结合数百万年。
推与拉
当我写关于恒星形成的书时，我有充分的理由对星团形式的多样性感到疑惑。我将疏散星团之谜视为更大一类问题的一部分：为什么我们的星系只存在有限种类的星团？分子云如何“决定”它将产生哪种类型的星团？
我考虑了星团中起作用的力。总而言之，我选择研究的三种类型的生命阶段指向了两个相反的过程：收缩，由母云的引力引起；以及膨胀，由恒星风和电离辐射促进。每个产生恒星的云都不同程度地受到这两种相反的影响。在T星协和OB星协的情况下，膨胀最终获胜。在疏散星团的情况下，膨胀和收缩似乎保持平衡，至少在成员恒星形成的关键时期是如此。
我推断，云中力的平衡因此决定了它的命运以及它产生的恒星星团的命运。我怀疑这种平衡的关键可能是母云的原始质量。正如我已经解释过的，云的质量肯定决定了它的引力；云的引力反过来又控制着它收缩的速度。云质量也决定了云产生的恒星数量。例如，低质量云会缓慢收缩，导致其密度逐渐增加，从而产生少量普通恒星。稍后，来自这些恒星的风将逐渐剥离云层，逆转收缩并将成员恒星释放到太空中。这种情况符合我们今天在T星协中观察到的情况。
在另一个极端，质量大一个数量级的云将经历快速收缩，在近距离内形成许多新恒星。最终，该云的核心将达到如此高的密度，以至于会诞生一些大质量恒星。然后，正如我们在OB星协中看到的那样，来自大质量恒星的强烈辐射将迅速分散云层，并且内部速度极快的恒星将向外移动。
最后，云质量可能存在一个中间范围，对于该范围，这两种效应是相当的。这些云的收缩速度与质量损失速度大致相同。结果是一个分子云，其中包含越来越多的年轻、紧密结合的恒星，但没有真正的大质量恒星。即使恒星风吹走了云层，这些紧密聚集的恒星之间的引力吸引力本身也足以使它们在很长一段时间内保持结合，其结构与天文学家所称的疏散星团非常相似。
云收缩
我的力平衡理论描述了母云的起始质量如何决定收缩和膨胀的相互作用，从而决定了由此产生的星团的演化。然而，尽管天文学家可以在OB星协中直接观察到膨胀和分散，但没有人发现分子云曾经收缩的证据，更不用说以我的理论提出的方式收缩了。这种收缩肯定会发生在星团形成的最初阶段，但最年轻的恒星群——嵌入式星团——却难以直接观测。我必须找到一种方法来证明更成熟的星团很久以前就经历过收缩。
我从20世纪50年代后期加州理工学院天文学家马尔滕·施密特的工作中获得了一个线索。施密特观察到，新恒星的诞生率取决于周围气体的密度。因此，我推断，如果母云过去确实收缩过，那么它的密度就会增加，恒星形成率也会加快。因此，我的理论假设，每个恒星群的早期生命中都存在恒星形成的加速。
为了检验这个预测，我需要弄清楚如何测量星团中历史上的恒星形成率。幸运的是，恒星演化理论提供了一种方法来做到这一点。在许多其他方面中，该理论描述了尚未燃烧核燃料的年轻恒星（例如金牛T星）随时间的行为。金牛T星的质量与我们的太阳大致相同，亮度也一样。但它们不是因为核聚变而发光，而是辐射其自身引力导致它们收缩时产生的压缩热量。随着时间的推移，它们的压缩速率减慢，而表面温度升高。因此，随着年龄的增长，恒星会以可预测的模式变得更暗更热。
因此，如果你知道一颗金牛T星的表面温度和亮度，你就可以知道它收缩了多久——换句话说，你可以确定它的年龄。我意识到，一个星团中所有这些恒星的年龄集合将揭示该星群的恒星形成历史——成员恒星在何时以及以何种速率形成。
将这种方法应用于附近的天体群并不困难，因为这些天体群所需的数据最容易获得。帕拉和我发现，对于所有仍然拥有大量云气的天体群来说，总的恒星形成率一直在随时间增加。例如，在2000年，我们发布的数据显示，“猎户座星云星团”中的恒星形成率在其母云消散之前的数百万年中一直在加速。这一发现鼓励我相信我的假设是正确的：在其历史早期，所有形成星团的云可能都会收缩。
2007年，当时的 graduate 学生埃里克·赫夫（现任俄亥俄州立大学教授）和我构建了一个“猎户座星云星团”母云的理论模型。我们的模型包括了我的理论假设的收缩力和膨胀力。在基于该模型的计算机模拟中，模拟云按照我们预测的方式收缩。然后，我们应用了一个称为施密特-肯尼卡特定律的经验公式，该公式源自施密特的观测和许多后续观测，以推断云中一小块区域密度随时间增加将如何影响局部恒星形成率。
我们的建模得出了加速的恒星形成率，该速率与帕拉和我从“猎户座星云星团”中恒星的年龄推导出的加速度相匹配。这一额外发现进一步证实了力平衡理论的假设，即母云在星团演化的早期阶段会收缩。
星团膨胀
不幸的是，我用来测量和模拟“猎户座星云星团”等星团早期恒星形成率的方法不能应用于疏散星团，即那些奇怪地持久存在的星群，它们缺乏任何母云的痕迹，但仍然受引力束缚。大多数疏散星团都太老了；它们的收缩和恒星形成时期——仅持续了数百万年——仅占这些星团总寿命的一小部分。用于辨别恒星年龄的工具没有足够的分辨率。我们也无法模拟疏散星团的母云；云层在很久以前就消散了，以至于我们甚至无法猜测它们的质量或行为。到目前为止，疏散星团演化的早期阶段仍然无法通过间接观测来接近。
然而，可以使用所谓的N体模拟来模拟母云已经消失的疏散星团的演化。在这种模拟中，计算机求解了描述多个物体在其相互引力作用下运动的复杂、相互关联的方程。这种方法阐明了疏散星团在我的理论提出的最初恒星形成收缩之后会发生什么，并为塑造星团膨胀的力提供了一些意想不到的见解。
尽管疏散星团非常稳定，但它们并非静止不动。成员恒星之间的相互引力创造了一种持续、缓慢的搅动，就像在蜂巢中蜂拥而至的蜜蜂一样，轨道恒星相互穿梭。N体代码描述了这种引力引起的舞蹈，它们非常高效，以至于可以在标准的台式计算机上模拟像昴星团这样由1200个成员组成的星群的演化。几年前，我的 graduate 学生约瑟夫·M·康弗斯（现任加州大学伯克利分校教授）和我采用了这种数值方法来阐明昴星团的历史。我们的策略是为星团猜测一个任意的初始配置，然后让它演化1.25亿年。我们将模拟星团与其实际对应物进行了比较，并更改了初始条件，直到N体模拟产生了一个类似于真实星团的星群。
我们所看到的让我们感到惊讶。似乎昴星团在保持引力束缚的同时，自其云层消散以来，或多或少均匀地膨胀了。轨道繁忙的恒星以庄严、稳定的步伐彼此远离。这个结果与之前的分析相冲突，之前的分析预测，疏散星团中的恒星会缓慢地分离成一个由较重恒星组成的内部团块和一个由相对较轻恒星组成的外层包层。这种分离模式称为动力学弛豫，它是对引力束缚星团如何随时间演化的标准描述。例如，已知球状星团的行为方式就是如此。然而，即使我们将我们的N体模拟运行到未来9亿年，膨胀仍在均匀地继续，显示了一个膨胀但仍然完好无损的昴星团在十亿年后的样子。
这一发现表明，经典分析忽略了塑造星团演化的力平衡中的一些关键因素。是什么驱动了疏散星团的均匀膨胀？康弗斯和我证明，关键是双星：成对的、近距离的、轨道运行的伴星，这在恒星群中非常常见。苏格兰爱丁堡大学的道格拉斯·赫吉在20世纪70年代中期进行的模拟表明，当第三颗恒星接近这样一对双星时，这三颗恒星会进行复杂的舞蹈，之后三颗恒星中最轻的一颗通常会高速喷射出去。喷射出的恒星很快会遇到其他成员并与它们分享能量，从而提高这些恒星的轨道速度并有效地“加热”星团。在我们的N体模拟中，正是来自这些双星相遇的能量导致疏散星团膨胀——尽管膨胀如此缓慢，以至于天文学家很容易忽略它。
持久的谜团
我对星团的研究为我的提议提供了一些证据，即分子云的原始质量决定了星团的结构及其演化。这项工作也为未来的研究提供了有希望的方向。例如，天文学家应该寻找方法来观察我的研究预测的疏散星团的均匀膨胀。
但我的发现也突出了我们仍然对星团普遍存在的许多未知之处。尽管计算机模拟取得了进展，但我们仍然没有工具来模拟母云的某些区域如何变得足够稠密以形成恒星。几十年的无线电和红外观测也未能揭示这些云的内部运动模式。恒星群的诞生阶段——发生在嵌入式星团的浓厚尘埃中的阶段——仍然笼罩在神秘之中。
然而，我和我的同事开发的力平衡模型可以帮助我们弄清楚关于这个阶段和星团演化的其他方面的更多细节。我们希望通过分析研究和N体模拟相结合来验证，以与其收缩速度相同的速度失去质量的云确实会产生一个类似于疏散星团的引力束缚系统。我们还希望使用建模来探索新生T星协如何逆转云收缩，然后分散到太空中。例如，恒星风真的像天文学家假设的那样发挥着关键作用吗？
这项研究的影响将远远超出星团本身。尽管对银河系中恒星群的研究长期以来一直是天文学的一个冷门领域，但它正迅速成为其他研究的中心。例如，一些天文学家认为，太阳形成于一个拥挤的OB星协中，并且邻近恒星的近距离存在以某种方式扰乱了周围的气体和尘埃盘，从而塑造了我们的太阳系。孕育星团的分子云也是星际介质和整个星系演化的重要参与者。因此，星团可能掌握着更好理解整个宇宙的关键：从我们太阳系的诞生到超越它的一切事物的过去和未来。