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球狀星團報告
陳正元,陳嘉隆
球狀星團是一種很多恆星聚集在一起的天體，它的外觀呈球形或扁球狀，其中大約包含數十萬至數百萬顆星，而且屬於金屬豐度低的族群二的恆星。目前我們在銀河系中已發現了一百三十多個球狀星團。全天最亮的球狀星團是半人馬座的w星團，當初，人們還認為它是一顆恆星，後來從望遠鏡中才看到它是一個恆星密集的天體。從望遠鏡中，不能分辨球狀星團中心的個別恆星，且由中心向外恆星密集程度愈少。一般來說，球狀星團的直徑在２０ｐｃ～５０ｐｃ；絕對星等－２．６０～－１０．２７等，平均是－７等；累積光譜型為Ａ５～Ｇ５，但大多數恆星光譜為Ｆ８～Ｇ５。
球狀星團和疏散星團有很大的不同：疏散星團的星可從望遠鏡中個別分開，且恆星的光譜型及Ｂ－Ｖ and Ｖ圖也和球狀星團不同，代表著兩者組成和演化路徑不同；疏散星團一般分布在銀河盤面上，而球狀星團則在大約離銀河中心２０ｋｐｃ呈球型空間分布；而疏散星團包含１００～１０００顆星也比球狀星團的星少。
球狀星團的年齡在數十億到數百億年，目前已知最老的有一百八十億年。這類星團在巨大橢圓軌道上繞銀心旋轉，偏心率平均０．６，軌道面和銀道面傾角很大。由於球狀星團不在銀道面旁邊，被星際塵埃遮掩的機率較小，所以很遠的球狀星團也可看到，而在地面上看到的銀河盤面只有整個的１０％。
球狀星團的星從上萬顆到百萬顆，而其中年老且重元素的星很多，球狀星團中最亮的星是黃巨星，年齡已超過一半，此外，也有發現雙星系統。少數球狀星團會發出強大的Ｘ－ray ，發源地都靠近星團中心，其中有單個源頭或多個源頭，也無規則性，但這可能是研究球狀星團的一種新方法。大部份球狀星團的星為橙、紅矮星，燃燒速率很慢，有些已步入死亡，在球狀星團中發現２０００多顆的變星，而這些變星卻影響了新理論的方向。
球狀星團雖然容易在天上看到，但天文學家卻是從一個多世紀前才開始。１８４０年，英國牧師 Thomas Milner 觀測Ｍ１３，看到了球狀星團的全貌，推測球狀星團是星星的重力吸引成一體，重力綁住恆星，使它維持定位，即使穿過desk ，球狀星團也不會崩潰。之後，重力定律越來越被人了解它的本質，使得上述的假說對球狀星團並不完全適用。１９２７年，天文學家曾懷疑球狀星團是其他星系，但Shapley 用球狀星團在空間。的分布定出銀河系的中心，多數球狀星團位於直徑１０００００光年的銀暈中。天文學家後來又發現漩渦星系和橢圓星系都有球狀星團。
H. Shapley 和 H.B.Sawyer 根據球狀星團的中心緊密程度分為１２種等級：等級１是最緊密的；等級１２的中心最不緊密。另外，Morgon 利用金屬線強度將球狀星團分為八個等級：等級１ 具有非常弱的金屬線且金屬含量低，等級１２有最強的金屬線且基本上含有類似太陽的金屬豐度。耶魯大學的Robert Zinn設法描述球狀星團，基於運動、空間位置、化學組成，將球狀星團分為兩種：
第一種球狀星團包含銀河收縮前產生和常態，遠在銀暈的球狀星團，年齡最小１００億年，最老１８０億年。
第二種是銀河生成後產生的，在銀河核心上，在盤面上下幾千光年範圍內運動，年齡有１００億年或更年輕。
有四分之三的球狀星團是第二型，它們的年齡和軌道距離銀河中心有關，越近中心越年老，是用化學組成決定的，越近中心的星團重元素越多。
１９９４年，天文學家利用ＨＳＴ《哈柏太空望遠鏡，Hubble Space Telescope 》上的ＷＦＰＣ２（Wide Field Plantary Camera２ ） 發現球狀星團ＮＧＣ１８５０中的星星依其顏色、年齡可分為三群，這個星團位於南天劍魚座的大麥哲倫星系內，距地１６６０００光年。其中的三群星星特徵如下：６０％的星星分布較密集，顏色黃色，年齡約５０００萬年；２０％的星星分布較鬆散，顏色偏白，年齡只有４００萬年；剩下的是大麥哲倫星系的星。對我們而言，前兩群星位在視線同一直線上，且它們之間相距２００光年。由於這兩群星星的並排和年齡的明顯不同，天文學家提出它們之間的可能演化路線如下：在較老的一群中有超過一千顆星發生超新星爆炸，熱氣體所形成往外的氣泡穿越空間，花了４５００萬的時間，使外面較冷的雲氣塵埃發生局部密集收縮而形成新一代的恆星。
由於球狀星團的年齡較老，而科學家也相信它與宇宙甚至星系的年齡有一定的關係，因此它及其所組成的星球也頗受天文學家的青睞，像是球狀星團中的白矮星。它是恆星演化末期的產物之一，本身不產生能量，只是不斷地放出能量、逐漸暗淡而冷卻變成紅矮星，甚至黑矮星。但是宇宙的年齡還不足以老到使白矮星完全冷卻成黑矮星，因此白矮星的溫度被拿來作為獨立的方法，希望能用以估計宇宙及銀河系的年齡。
１９９５年天文學家利用ＨＳＴ上的ＷＦＰＣ２曝光了五小時拍攝距地最近（７０００光年）的天蝎座Ｍ４球狀星團，為的是要拍出其中最暗、最老的白矮星。天文學家相信典型的球狀星團應有４００００顆白矮星，而天文學家在Ｍ４的一小塊區域裏找到７５顆。由於Ｍ４一般估計它有１４０億年的年齡，而且它的組成星球原始質量都大於或等於太陽的８０％，已演化成紅巨星，有的星球甚至已演化成地球大小、密度高、表面溫度高，必須花幾十億年時間將餘熱放出至宇宙空間中的白矮星。藉由白矮星的溫度及冷卻速率，或許可以讓我們得到一個宇宙的年齡數值（目前是８０億年～２００億年）。
球狀星團的中心是什麼？過去天文學家用地面的望遠鏡看，由於受到大氣擾動的影響，只能看到中心附近是一團模糊的光；而現在天文學家用ＨＳＴ去拍攝，可以看到越往中心有越多的星星，但是它的中心是什麼？天文學家相信可能是黑洞，或者是由於許多星球密集在一起的強大重力所造成的核潰縮（core collapse）。
天文學家利用ＨＳＴ的ＷＦＰＣ２拍攝了飛馬座Ｍ１５球狀星團中心部份２２光年，發現了高達３００００顆左右的恆星，且恆星的分布（或是密度）越往中心越高，直到中心附近０．０６光年（更內部的無法看到）。天文學家由恆星的分布與在中心黑洞的影響所造成的現象符合；但也符合中心是核潰縮《又叫做 gravothermal catastrophe 》 我們由判斷靠近中心星球環繞中心的速度，恆星越近中心密集是由於單一巨大物體的影響或是由於相互的引力。在黑洞的重力場下，星球繞核心速度越快。即使如此，要測量這些星的速度須要很多時間。
核潰縮很早就被天文學家提出，但是到現在才發現它存在的可能性。天文學家在分析Ｍ１５近中心星星的分布後，提出在附近的某一點過去是核心星星聚集的所在，而且可以持續幾百萬年，但這和球狀星團百餘億年的年齡比起來卻是一瞬間的事。天文學家推測２０％左右的球狀星團中心會有如此的潰縮現象。要有如此現象的發生，星團內部必須要有能量傳到外部，而造成內部星星失去一些熱動量以致無法抵抗彼此的重力而迅速潰縮成一團。
最近天文學家觀測全天最亮的w球狀星團，發現了一件奇怪的事。他們發現星團內有豐富的重元素，是好幾代後的星才擁有的量，但是有另外一些地方，卻富有氫元素可生成第一、二代星，如此w星團的年齡就不容易定出，成了一個謎。天文學家提出可能的解釋是：w星團當初是兩兩個球狀星團相撞，使的w星團內星球的年齡有所不同；相撞後的塵埃，在w星團經過銀河盤面時，被留在盤面上，而成為今日的w星團。
球狀星團的本質、現象，至今仍有許多不為我們明嘹的，但是天文學家正設法去解釋、了解。球狀星團算是宇宙的早期產物，因此它也代表星系生成那一段時期的環境，如果能從它得知更多的訊息，相信能對宇宙、星系及當時的環境有所了解。
參考書目：
１．世界天文學簡史 明文書局
發行人：李潤海 １９８７．８
２．天文學教程 高等教育出版社
作者：朱慈 １９８７．１０
３．Horizons Wadworth Publishing Company
作者：Michael A . Seeds １９９５
４．Astronomy:The Cosmic Journey Wadworth Publishing Company
作者: William k . Hartmann １９８９
５．Foundation Of Astronomy Wadworth Publishing Company
作者: Michial A . Seeds １９８８
６．哈伯太空望遠鏡影像
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