银河系中，球状星团是恒星分布最密集的地方，星团中的恒星以数十万计。

以往研究认为，一个星团里的恒星全部产生于同一次星云坍缩，这意味着恒星在同一时期诞生，其星球表面的碳、氧、钠等元素的丰度也保持一致。

但实际上，球状星团中超过半数的恒星表面元素丰度都不一样，这也被天文学家称为多星族现象。最近的一项研究显示，球状星团中质量相对较小的两个恒星之间会发生物质交换，而这可能是多星族现象产生的原因之一。

在4月份的《皇家天文学会月刊》上，中国科学院云南天文台博士生魏丹丹，研究员姜登凯、王博等人发表了他们的成果。通过计算和模拟，论文对球状星团中小质量双星间发生的物质交换进行了阐述。

多星族现象原因待解

球状星团中的恒星，都是银河系中的老前辈，它们是最早形成的一批恒星。星团内恒星分布更密集，所以彼此间更易相互影响、发生物质交换。弄清其运作机制，对理解恒星演化有重要意义。

论文第一作者、中科院云南天文台博士生魏丹丹告诉《中国科学报》，本次发表的研究中，用到了杜鹃座47等三个不同球状星团中未演化或初步演化恒星的观测数据。

“据观测，球状星团里，50%-70%的恒星表面丰度都有异常，具体表现如钠元素更多，而氧元素更少、碳元素更多，而氮元素更少。”魏丹丹表示，这些元素间的反相关，意味着恒星内部曾发生核反应。

此前，天文学家曾利用星团里中等质量和大质量的恒星设立模型，以阐释星团中恒星表面为何出现元素丰度异常。但目前来看，由现有模型推算出的元素丰度异常的恒星数量，与实际观测到的数量并不一致。

这意味着，还有相当一部分恒星表面的元素丰度异常没有找到原因。

此外，研究团队还注意到一个现象：“当未演化或初步演化的恒星发生核反应时，反应产生的物质会处于恒星内部，但我们却在恒星表面观测到了这些物质。”魏丹丹解释，这意味着恒星表面的丰度异常，原因可能来自外部。

他们将目光投向了球状星团中的小质量双星系统。

反客为主，双星系统间的物质交换

与“独自美丽”的单颗恒星相比，一些小质量恒星会与其它恒星结成对子，形成双星系统。“这也许是恒星丰度异常的原因”，魏丹丹表示。

接着，研究团队将星团中0.9-1.9倍太阳质量的小质量双星作为研究对象，他们发现，双星系统内的物质交换，实为一出“反客为主”的戏码。

双星系统中，质量相对更重的是主星，另一颗则为伴星，每颗恒星都有自己的“势力范围”，当率先演化的主星发生膨胀，其周围的物质会超过原有“势力范围”，从而被一旁的伴星吸引走。

两颗恒星质量差距越大、轨道距离越短，这种物质的转移就会越多。伴星越吸越多，甚至主星内部更深层的、经历过核反应的物质，也会被转移到伴星表面。此时，伴星的表面会出现元素丰度异常，即多星族现象。

“也就是我们观测到的钠氧反相关、碳氮反相关”，魏丹丹解释。

小质量双星系统中的物质交换模拟。（研究者供图）

最终，主星会演化成白矮星——这是绝大多数恒星的归宿，伴星虽然还未演化，但由于从主星处吸走不少物质，质量会比先前重得多。

该研究表明，小质量双星系统内发生的稳定物质转移，是球状星团中恒星元素丰度异常的原因之一，可帮助人们更好地理解球状星团的演化。

“球状星团多星族是一个非常有趣的课题，双星相互作用也是复杂且多变的”，姜登凯告诉《中国科学报》，“接下来，我们会进一步研究双星演化与球状星团中多星族现象间的关联。”

相关论文信息：DOI：10.1093/mnras/staa613