NASA韋伯與哈伯望遠鏡揭開銀河系形成遺跡Terzan 5的歷史

利用人類最強大的兩座天文觀測設施——NASA詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）與哈伯太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）——研究人員已明確證實，過去被歸類為球狀星團的Terzan 5，實際上並不屬於此類天體，這項發現為我們了解銀河系等星系如何形成與演化提供了全新視角。球狀星團通常僅含有單一的古老恆星族群，而新資料不僅確認了Terzan 5內部存在兩個截然不同的恆星族群，更提供了兩次較近期恆星形成活動的證據。

儘管Terzan 5位於銀河系中央核球（bulge）這片擁擠的星場之中，它卻因質量夠大，得以在數十億年前其他較輕質系統擴散並融入核球時，維持自身的獨立性。研究團隊形容這就像是均勻麵糊中的一塊結塊。

「韋伯的近紅外線新觀測資料，與哈伯的歷史觀測資料相互比對後，讓我們對Terzan 5的歷史有了更清晰的認識，」義大利波隆納大學（University of Bologna）博士生、本次研究主持人Giorgia Zullo表示。

相關成果已於美國天文學會（American Astronomical Society）第248屆年會記者會上發表，並刊登於《天文學與天文物理學》（Astronomy & Astrophysics）期刊。

四個世代的恆星

Terzan 5由天文學家Azop Terzan於1968年發現，外觀上與球狀星團極為相似。然而，2009年科學家發現這個系統內存在兩個不同的恆星族群。2016年，哈伯望遠鏡首次估算出這兩個族群的年齡：其中一個形成於約120億年前（銀河系正在組建的時期），另一個則形成於約50億年前（地球開始形成之前不久）。這顯示Terzan 5擁有比典型球狀星團更為複雜的歷史。

研究Terzan 5的難度在於其位置——它深藏於銀河系中恆星密集、塵埃遮蔽嚴重的區域。這正是韋伯望遠鏡派上用場之處。其紅外線觀測能力讓研究團隊得以穿透塵埃，觀測並記錄遠多於以往且更為暗淡的恆星。透過測量恆星的顏色與亮度，天文學家能將其分類為不同年齡與化學成分的族群。

韋伯可對視野內每顆恆星（包含Terzan 5內的恆星及無關的前景恆星）量測這些關鍵屬性。為了篩選出真正屬於Terzan 5的恆星，研究團隊藉助了哈伯長達12年的觀測能力，透過測量個別恆星的微小移動（即「自行運動」，proper motions），判斷哪些恆星隸屬Terzan 5，哪些屬於銀河系核球。

結合韋伯與哈伯的資料，研究人員發現了另外兩個恆星族群的有力證據：一個形成於38億年前，另一個僅形成於25億年前。他們也以前所未有的精確度確認了先前已知兩個恆星族群的年齡，分別為125億年前與47億年前。

當僅有兩個恆星世代時，天文學家無法排除Terzan 5曾與其他天體（如球狀星團或巨型分子雲）發生交互作用、補充新氣體與塵埃並引發第二輪恆星形成的可能性。但有了四個恆星世代，這些解釋均可排除。

在W. M. 凱克天文台（W. M. Keck Observatory）與歐洲南方天文台甚大望遠鏡（European Southern Observatory's Very Large Telescope）對Terzan 5各族群的恆星成分所進行的測量，也進一步指向截然不同的族群特徵。「除了這些族群的年齡之外，這個星團還保存著超新星逐步富集重元素的化石紀錄，」加州大學洛杉磯分校（UCLA）研究天文學家、共同作者R. Michael Rich表示。

Terzan 5之所以能夠形成多個世代的恆星，是因為它有能力保留所需的原料。有證據顯示，Terzan 5內部曾發生強烈的超新星爆炸，合成了較重的元素，這些元素被後續世代的恆星所吸收。在較輕質的系統中，爆炸的衝擊力本身就可能將生成的元素連同剩餘氣體和塵埃一併噴射出去。Terzan 5的前身體擁有足夠的質量來留住這些噴出物，使新的恆星世代得以在數十億年間持續形成。

「核球化石碎片」

研究結果顯示，Terzan 5很可能是一個質量遠更龐大的恆星系統的殘骸，其前身初始形成於125億年前。Terzan 5之所以非同凡響，在於它得以倖存，從未與銀河系核球完全合併或融合。「出於某種原因，這個特殊的恆星團塊獨立於核球之外形成，且在核球本身形成的過程中未遭瓦解，」波隆納大學教授、韋伯觀測計畫首席研究員Francesco R. Ferraro表示。「Terzan 5就是我們現在所稱的『核球化石碎片』，因為它類似於最初促成核球形成的原始團塊。」

迄今為止，已知與Terzan 5同類的宇宙天體僅此一例。Liller 1是第二個從球狀星團重新分類為核球化石碎片的天體，同樣含有多個恆星世代。未來或許還會發現更多類似天體。Ferraro的研究團隊將進一步檢視另外40至50個在核球軌道內運行的球狀星團，以判斷其恆星族群是否均一（如典型球狀星團），或擁有多個世代（如核球化石碎片）。

對星系形成研究的潛在啟示

這項研究最終或將深化我們對各星系中央核球如何在數億年間形成的認識。「根據觀測與深度模擬，我們認為早期宇宙的星系擁有巨大的氣體盤，這些氣體盤碎裂成團塊並形成恆星。這些團塊向星系中心遷移，許多合併後形成了核球，」波隆納大學副教授、共同作者Barbara Lanzoni表示。韋伯望遠鏡已發現多個「團塊狀」星系的範例，這些星系在宇宙年齡僅數億年時便積極地形成恆星，例如「螢火蟲閃耀星系」（Firefly Sparkle galaxy）中的團塊。「Terzan 5可能提供了直接證據，有助於解釋宇宙中各星系的核球是如何形成的，」Lanzoni說道。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡是世界頂尖的太空科學觀測設施，由NASA與其夥伴歐洲太空總署（ESA）及加拿大太空總署（CSA）共同主導。哈伯太空望遠鏡運行逾三十年，持續帶來開創性的發現，深化人類對宇宙的基本認識，是NASA與ESA國際合作的共同成果。

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