夜空是一片星野。在每个方向，明亮和昏暗的星星都布满了整个地平线。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，不再是了。每颗恒星实际上都是在一个星群中开始其生命的，周围环绕着年龄几乎相同的兄弟姐妹，它们只是在后来才逐渐分离。天文学家知道这一点，因为其中一些恒星育婴室，被称为星团，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，它的恒星在翻滚的尘埃和气体云中闪烁。你可以从你的后院看到昴星团：它是金牛座中的模糊斑块。
星团的差异非常大，范围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集合体。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，我们发现了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。
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然而，对于星团自身的内部运作和演化，我们知之甚少。是什么解释了天文学家观察到的各种形态？我们对单个恒星的了解远比对它们的形成摇篮的了解要多得多！
20年前，当我开始与意大利佛罗伦萨的阿尔切特里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教科书时，这种情况的讽刺意味首次击中了我。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中众多研究线索时，关于星团的未解问题总是潜伏在我们的脑海中。
一天下午，当我们自然而然地在伯克利的斯特拉达咖啡馆休息时，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，而不管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作用于单个星团的方式：每个星团诞生的母云的质量。我将花费随后数十年的大部分时间来收集证据来支持这种直觉。
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。恒星不是凭空出现的；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，每个分子云都施加引力——不仅对云团外部的恒星和其他物体施加引力，也对云团内部的区域施加引力。由于云团自身的引力，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，部分根据它们的年龄区分，部分根据它们包含的恒星的数量和密度区分。最年轻的恒星群，称为嵌入式星团，位于云团中，云团非常浓密，以至于来自其成员恒星的可见波长光线被完全遮蔽。相反，我们只能看到嵌入式恒星加热的尘埃的红外辉光，而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、星数最多的恒星群。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，最近的球状星团与银河系盘面有一定的距离，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上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组成，称为T金牛座星。（我们的太阳在年轻时也是一颗T金牛座星。）每个T星协包含多达数百颗这样的恒星，周围环绕着母云，但没有完全被遮蔽。T星协不会长时间保持在一起：观察到的最古老的星协大约有五百万年的历史——从宇宙的角度来看，这只是眨眼之间。
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，那么一定是云团的引力——而不是恒星彼此之间施加的引力——将星团维系在一起。如果云团消散，恒星就会漂散开来。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，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是以两种非凡的恒星类型命名的，指定为O和B，它们是宇宙中最明亮和质量最大的恒星。这些星团，称为OB星协，通常比T星协的恒星数量多约10倍，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1,500光年之外，由四颗真正的大质量恒星和约2,000颗较小的恒星组成，包括许多T金牛座星。它在我们银河系这一部分中具有最高的恒星密度。
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，尽管这些系统内部的引力非常强大，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。天文学家知道这一点，因为相隔几十年拍摄的成熟OB星协图像显示，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一开始的移动速度就非常快。OB星协中母云的巨大引力促使它的恒星成员以高速轨道运行。年轻的OB星协充满了这些高速运动的恒星，如果母云减少，它们随时准备逃离星团。在OB星协中，母云正遭受O型和B型恒星在其短暂生命周期中发出的强烈紫外线辐射的围攻。这些恒星由核聚变提供能量，就像我们的太阳一样，但它们的燃烧要猛烈得多。例如，一颗典型的O型恒星的质量是太阳的30倍，但它会在短短几百万年内耗尽燃料。
在自我毁灭的过程中，紫外线辐射从恒星中喷射出来，并电离周围的气体——实际上是烧毁了母云。“猎户座星云星团”中的尘埃和气体正在发出这种电离的光芒。随着母云的烧毁，它的引力减弱。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的、高速运动的恒星，它们被抛射到遥远的地方。
因此，T星协和OB星协都会自行解体，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，也是不太常见的恒星群却非常稳定。这些被称为疏散星团的星群拥有多达1,000颗普通恒星，并且可以持续数亿甚至数十亿年。然而，它们的分子云和任何伴随的引力早已消失。
昴星团就是这样一个星团。它有1.25亿年的历史，它的母云可能已经消失了1.2亿年或更长时间。同样著名的毕星团，在天空中离昴星团不远，已经有6.3亿年的历史了。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1,000颗恒星组成的系统，诞生于40亿年前。
即使是疏散星团也不是永恒的；很少有比M67更古老的星团。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星协解体得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团消散后仍然保持结合在一起数百万年。
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好奇。我将疏散星团的奥秘视为更大一类问题的一部分：为什么我们的银河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？
我考虑了在星团中起作用的力。我选择研究的三种类型的生命阶段共同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。每个产生恒星的云团都会在不同程度上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这样。
因此，我推断，云团中力的平衡决定了它的命运以及它产生的星团的命运。我怀疑这种平衡的关键可能是母云的原始质量。正如我已经解释的那样，云团的质量当然决定了它的引力；云团的引力反过来又决定了它收缩的速度。云团质量也决定了云团产生的恒星数量。例如，低质量云团会缓慢收缩，导致其密度逐渐增加，从而产生少量普通恒星。之后，来自这些恒星的风会逐渐剥离云团，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团会经历快速收缩，在附近形成许多新恒星。最终，这个云团的核心将达到非常大的密度，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会迅速驱散云团，内部高速运动的恒星会向外移动。
最后，似乎可能存在一个中间范围的云团质量，对于这个范围，这两种效应相当。这些云团的收缩速度与它们失去质量的速度大致相同。结果是分子云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。即使恒星风吹走云团，这些紧密堆积的恒星之间的引力吸引力也足以使它们长期保持束缚在一起，其结构与天文学家所称的疏散星团非常相似。
云团收缩
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，从而决定由此产生的星团的演化。然而，尽管天文学家可以直接观察到OB星协中的膨胀和分散，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——却难以直接检查。我必须想办法证明更成熟的星团很久以前经历过收缩。
我从20世纪50年代末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，我的理论假设每个星团的早期生命中恒星形成都会加速。
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。在许多其他事情中，该理论描述了尚未燃烧核燃料的年轻恒星（例如T金牛座型恒星）如何随时间变化。T金牛座星的质量与我们的太阳大致相同，并且亮度也相同。但它们不是因为核聚变而发光，而是辐射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，它们的压缩速度减慢，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。
如果你知道一颗T金牛座星的表面温度和亮度以及它与地球的距离，你就可以知道它已经收缩了多久——实际上，你可以知道它的年龄。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什么速率随时间形成。
将这种方法应用于附近可以最容易获得所需数据的星群并不困难。帕拉和我发现，对于所有仍然拥有大量云气体的星群，总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，在“猎户座星云星团”的母云消散之前，该星团的恒星形成率加速了数百万年。这一发现鼓励我相信我的假设是正确的：在它们的早期历史中，所有形成星团的云团可能确实会收缩。
在2007年，当时的研究生埃里克·赫夫（现任职于俄亥俄州立大学）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，模拟云团收缩了，正如我们预测的那样。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，该公式来自施密特的观测和许多后续观测，以显示云团中一部分密度的随时间增加将如何影响局部恒星形成率。
我们的建模得出了一个加速的恒星形成率，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率相匹配。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古老了；它们的收缩和恒星形成时期——持续了仅仅几百万年——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几乎没有所需的分辨率。我们目前也无法模拟疏散星团的母云；云团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，即使是间接观测也无法触及疏散星团演化的早期阶段。
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。在这样的模拟中，计算机求解了复杂的、相互关联的方程，这些方程描述了多个物体在它们相互引力作用下的运动。这种方法阐明了在我的理论提出的初始恒星形成收缩之后疏散星团中发生的事情，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恒定的、缓慢的搅动，正如轨道恒星像蜂群中的蜜蜂一样彼此穿梭。N体代码描述了这种引力引起的舞蹈，它们非常高效，以至于它们可以在标准台式计算机上模拟昴星团等1,200个成员的星群的演化。几年前，我的研究生约瑟夫·M·康弗斯（现任职于托莱多大学）和我采用了这种数值方法来阐明昴星团的历史。我们的策略是猜测星团的任意初始配置，然后让它演化1.25亿年。我们将由此产生的模拟星团与其真实的对应物进行了比较，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。
我们看到的结果让我们感到惊讶。似乎在保持引力束缚的同时，昴星团自云团消散以来一直在或多或少均匀地膨胀。它们繁忙轨道上的恒星以庄严而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较重恒星的内部团块和一个相对较轻恒星的外部包层。这种分离模式称为动力学松弛，它是对引力束缚星团如何随时间演化的标准描述。例如，已知球状星团就是这样表现的。然而，即使我们让我们的N体模拟在未来运行9亿年，膨胀仍然均匀地持续，显示了一个膨胀但仍然完整的昴星团在十亿岁时的样子。
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：成对的近距离轨道伴星，这在星群中非常常见。苏格兰爱丁堡大学的道格拉斯·海吉在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以高速被弹射出去。被弹射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，正是来自这些双星遭遇的能量导致疏散星团膨胀——尽管膨胀非常缓慢，以至于很容易被天文学家忽视。
持久的谜团
我对星团的调查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知之甚少的许多事情。尽管计算机模拟取得了进展，但我们目前还没有工具来模拟母云的某些区域如何变得足够密集以形成恒星。数十年的射电和红外观测未能揭示这些云团内部运动的模式。恒星群的诞生阶段——发生在嵌入式星团的浓密尘埃中的阶段——仍然笼罩在神秘之中。
然而，我的同事和我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，以与收缩速度相同的速度失去质量的云团确实会产生一个类似于疏散星团的引力束缚系统。我们还想使用建模来探索新生T星协如何逆转云团收缩，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。尽管长期以来，对银河系中星群的研究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，太阳是在一个拥挤的OB星协中形成的，并且邻近恒星的近距离存在以塑造我们太阳系的方式扰乱了周围的气体和尘埃盘。产生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地理解整个宇宙的关键：从我们太阳系的诞生到存在于其之外的一切事物的过去和未来。