銀河系導讀(三)

第八章 天宮煉金

一、B2FH

1975年一篇長達104頁的篇幅揭開了宇宙中元素的起源，作者有四人，被合稱為B2FH：B（E. Margaret Burbidge）、B（Geoffrey burbidge）、F（Fowler）、H（Hoyle）。

二、元素的起源

1.Hoyle最早提出重元素形成於恆星內核反應。

2.1944年，Hoyle訪威爾遜山天文台，遇到發現2個星族的瓦爾特‧巴德，巴德使Hoyle相信真正重要的一步發生在超新星爆炸。

3.1946年，Hoyle發表恆星用完H之後，核心將坍縮、變熱，產生重元素Fe。

4.1940年代，George Gamow提出所有元素產生於宇宙誕生時，而且由 H 開始。然而：

1950年代，老恆星的重元素低於年輕恆星。

沒有質量數等於5或8的穩定原子核。

Hoyle則認為自己的理論優勢有三：

恆星命長，可慢慢發生稀罕反應。

恆星命長，條件各階段不同，可產生各種元素。

恆星核心高密度，促進核反應。
→ 密度最關鍵。

5.1951年，Ernst Opik和 Edwin Salpete提出紅巨星的核反應：
4He + 4He + 4He → 12C
12C + 4He → 16O
1954～55年Hoyle提出共振態（合適條件下大量產生12C），William Fowler發現共振態。

6.1948年B2結婚，1954年和Fowler認識。

三、ｓ過程

1.有些比Fe重的元素特別豐富，顯示是由恆星自己製造，但Fe最穩定。
Fowler和B2認為中子可以和Fe原子碰撞形成更重原子核（中子俘獲過程），但自由中子少，下一次碰撞在102～103年。
例：鍶88、釔89、鋯90（含50中子）、鋇138（含82中子）

2.卡梅隆（Alastair Cameron）的獨立研究：原子序43的金，半衰期420萬年，中子必須閃天敵。後來：
13C + 4He → 16O + 中子（發生在紅巨星He區）
22Ne + 4He → 25Mg + 中子

四、ｒ過程

1.1956年，Margaret發現大犬座HD46407是鋇星，且鍶、釔、鋯豐富；同年，Hans Suess和Harold Urey發表丰度表。

2.從丰度表的丰度和質量數對照，可發現3個峰（含量高），另外有第二個次峰，顯示可能是另一種快過程，他們命名為ｒ過程。每秒鐘受到中子撞擊，除非停止撞擊。撞擊停止後衰變產生Au、Ag、Pt。
1950年從氫彈爆炸中發現可以產生重元素。

第九章 ELS

1.1962年，三位帕薩丁那天文學家（Eggen, Lynden Bell and Sandage）根據20世紀50 年代前人的研究，以及221顆鄰近恆星之運動與金屬性的研究，提出一套銀河系起源模型。

2.從第一顆銀暈恆星形成到銀盤開始出現，約二億年（比恆星繞銀河系運行一週的時間短（例如太陽繞銀河系），因為銀河系的質量分佈是迅速改變的，所以軌道產生比較大的形變，即橢圓變成圓），不到銀河系目前年齡的2%。也就是說，所有銀暈中的恆星是在二億年內形成的，由M3、M5、M13、M15、M92球狀星團的年齡相當，可獲得支持。

3.為什麼會出現「盤」ㄋㄟ？
所謂「耗散」的過程形成了銀盤，為氣體雲互相碰撞，耗損能量，而沈降成一個盤。

Sandage，ELS最堅定的支持者，自認是恆星演化學家

1.愛挑戰，例如因為威爾遜2.5公尺望遠鏡（哈伯用它發現宇宙膨脹、巴德發現兩個星族，這兩人後來是Sandage』s teacher）比較難操作而喜歡使用它。

2.曾參加巴特‧博克組織進行的恆星計數計畫，數了英仙座附近的一百萬顆恆星。觀測球狀星團的主序，發現是暗的，因為多是上了年紀的星。

3.1957年，在會議發表「五個星族」（打破原巴德所說的「兩個星族」），此劃分依據有一部分沿用至今。星族是銀河系中具有相似年齡、地域、運動學和金屬性的恆星組成的群體，目前的說法是分為四個星族：薄盤、厚盤、星暈和核球。

Eggen，恆星天文學家

1.令人震撼的一席話*o*~：我想在我走進墓穴時，至少覺得我懂了什麼；我不願意在我葬禮的第二天，就有某個人發現某條宇宙學原理而改變了一切，就像曾在星系研究領域中發生的情形。…看來也是一個很拚命的人

2.1960年代前期，利用恆星的距離、自行和視向速度，計算了U、 V、 W速度，編撰低速度和高速度的恆星兩本星表，也發現前人提過「高速星有低金屬性」的關係。

3.根據Lynden提供的銀河系物質軌道分佈之數學模型來計算，發現以下關係：

a.所有貧金屬星的軌道是橢圓；富金屬星則是圓的。

b.許多貧金屬星具有大的W速度，因而能夠遠離銀道面；而富金屬星具小的W速度，所以停留在銀道面附近。

承上，Lynden和Sandage討論出ELS的初步理論。

第十章 生於亂世的銀河系

前言

關於銀河系起源具有重大歷史意義的ELS論文發表三個月後，1963年天文學家們因為發現了類星體，而紛紛將望遠鏡從銀河系轉向了類星體。ELS沉睡了，經過了整整16年才出現了另一個銀河系起源的新模型。與ELS描繪的銀河系從單個坍縮實體通過平緩有序方式而形成的圖景相反，新模型提出銀河系誕生在數十個小星系撞在一起時的混亂之中。如果這後一種理論正確，銀河系的起源就不是莊嚴雄偉的古典交響曲，而是瘋狂的搖滾樂。

盯住遠方的球狀星團

倫納德．西爾勒 (Leonard Searle) 與羅伯特．金恩 (Robert Zinn) 利用觀測球狀星團，提出了銀河系起源的新理論。

西爾勒和金恩使用5米望遠鏡測量了離銀心不同距離處的球狀星團的金屬性。

1.研究的對象 (星團)：少數明亮的近鄰，大多數是暗的、遙遠的、未經探索的，有些甚至離銀心超過十萬光年以上 (銀河系外)。

2.當時的觀點：這些遙遠球狀星團應該有著不到太陽1%的極低金屬性，因人們認為銀暈的金屬性具有梯度，即外暈中的天體的金屬性比內暈的更低。

3.ELS主張：銀暈形成於快速自由下落坍縮的情況，來不及出現金屬性梯度。

4.與ELS相反的論點：緩慢的耗散坍縮過程，金屬性梯度則應該存在，因氣體雲彼此碰撞，改變其軌道，向銀道面沉降，並且不斷增加金屬丰度。

5.桑德奇的論文：1969年宣佈銀暈真的有金屬性梯度。他發現，兩群銀暈恆星中 (一群金屬性是太陽的4~13%，另一群為0.2~4%)，較貧金屬群的W速度平均約為較富金屬群的兩倍，這意味著同較富金屬銀暈恆星相比，較貧金屬恆星能夠達到離銀道面更遠處，也就是達到銀暈的外面部分。

6.預期的目標：找到距離和金屬性間的相關性。

7.觀測的結果：金屬性並不隨移向銀暈外部而降低。

8.檢討原因：西爾勒和金恩發現，桑德奇的較富金屬暈族星群，實際上包括了一些銀盤恆星在內，這些銀盤恆星的W速度低，從而將整個較富金屬暈族星群的平均W整度壓低了。

9.結論：金屬性低於太陽值10%的那些恆星的W速度並不隨金屬性的降低而增加；相反，它們的W速度都相同，從而與不存在金屬性梯度的結論一致，而且與ELS結論也一致。

第二參數

西爾勒和金恩開始思考另外一個可能性：「會不會存在另外某種梯度呢？」

1.尋找另一種梯度：利用顯示星團恆星演化軌跡的球狀星團赫羅圖來找。

a.已知：當一顆巨星燃燒核外的氫時，核將變得愈來愈熱，直到點燃其中的氦，氦點燃後，恆星將收縮、變暗、變熱，但變化的程度取決於恆星的金屬性。金屬在一顆富金屬星的質量中也只佔2%，但它們因吸收特定波長的光，而能顯著影響恆星的顏色。富金屬星 (如太陽) 點燃了氦，將變成橙色，但貧金屬星會更熱而成白色或藍色。在整個氦燃燒期間，恆星將保持大致恆定的光度而冷卻，直到最終變成黃色。
球狀星團水平支的整體顏色強烈地依賴於星團的金屬性（富金屬─水平支為黃色，貧金屬─水平支為藍色）。

b.矛盾：遙遠的球狀星團 NGC7006 為貧金屬性，其水平支應為藍色，但1967年桑德奇和羅伯特．威爾第觀測結果其水平支為紅色。

c.重新檢視：金恩開始計數每個球狀星團中水平支的藍星與紅星的數目。所有比太陽更靠近銀心的球狀星團遵守金屬性規則。但比太陽離銀心更遠的球狀星團則違反金屬性規則。因此，除金屬性外，一定有某個參數造成此一現象。

d.解釋：年齡會影響球狀星團水平支的顏色，因為星團越年輕，其中已經演化成功的巨星和水平支恆星的質量就越大。結果是水平支恆星的質量越大，他就越紅 (兩個具有相同金屬性但不同水平支顏色的星團，其年齡相差在十億年以上，水平支成紅色的星團至少要年輕十億年)。

2.發現矛盾：

a.與ELS矛盾－因為ELS認為所有球狀星團是在2億年間產生的。

b.與缺乏金屬性梯度矛盾－因為如果球狀星團的年齡有差別，則坍縮必定是緩慢的，其銀暈應該顯示金屬性梯度。

3.銀河系起源的新說法：在銀河系形成之前存在許多團塊，它們可以看成是亞星系或銀河系的前輩。每一個團塊中都產生恆星和星團，同時這些物質團塊下落到一起而形成了銀河系。即只有內暈才發生了ELS所說的那種快速坍縮，而太陽外的外暈是由幾十個小星系雜亂地撞入銀河系而形成的 (不同星系形成於不同年代)。

西爾勒和金恩對抗ELS

1.西爾勒和金恩的困擾：球狀星團的年齡問題。

理論上可以透過比較星團的赫羅圖來測定它們的相對年齡。實際上卻有兩個主要的困難─

a.除年齡外，還有其他因素影響星團的赫羅圖 (如：貧金屬球狀星團的主序折向點比同年齡的富金屬球狀星團的更亮)；

b.星際塵埃使星團的光減弱，產生觀測誤差（於20世紀70-80年代前期，確定兩個球狀星團年齡之差不可能準到幾十億歲，即ELS與西爾勒和金恩模型間的差別，是無法區分的）。

2.西爾勒和金恩的救星：80年代後期出現新儀器可証明球狀星團年齡差可大於幾十億年。

觀測 NGC288 和 NGC362 這一對球狀星團 (兩星團間的共通點：金屬性近乎相等、位在天空同一區域、和地球間的星際塵埃很少)，發現 NGC288 的水平支為藍色，而 NGC362 的水平支為紅色，邁克爾．鮑特的結果表明了 NGC288 比 NGC362 老了30億歲，正好與西爾勒和金恩的說法不謀而合。

2.ELS死了？？

桑德奇的解釋：銀河系的坍縮時間取決於氣體的密度，密度愈大，坍縮愈快，所以原始銀河的較密部分比其他部分先坍縮。但ELS將問題簡化了，它假設早期銀河系的密度均勻，於是得了單一的二億年的坍縮時間。

桑德奇認為：「西爾勒和金恩的模型是加了噪音的ELS模型」，「他們得到了坍縮時間的等級架構，而噪音則是初始的原銀河系中的密度起伏」。他也相信，球狀星團的年齡有一定差異，但富金屬球狀星團平均起來並不比貧金屬球狀星團更年輕。

3.金恩認為：「ELS是單個物體的坍縮，而我們的圖像則是一個已經經歷過快速坍縮的銀河系（內暈），然後在它的外邊，發生了物質的吸積，由此形成了外暈」。平均來說，外暈比較年輕，有著比快速坍縮核心更大的年齡瀰散度。

論戰擴大

論戰1：

a.場星：銀暈中個別的星，數量百倍於球狀星團中的星，且許多離地球夠近，能夠測定其距離與自行，再加上恆星視向速度，就能給出U、V、W速度，從而使天文學家得以算出恆星繞銀河系的運行軌道。

b.觀察：約翰．諾利斯 (John Norris) 為研究場星帶頭人，尋找金屬性低於太陽值的0.1%的貧金屬星，看看對瞭解早期核合成有何幫助。而研究了309顆貧金屬星，無發現任何星的金屬性低於太陽值的10%，但有許多星的金屬性確實很低。

c.ELS論點：所有這些貧金屬性應該有著繞銀河系的偏心軌道，事實上正是貧金屬星軌道的大偏心率導致ELS建立銀河系起源的快速坍縮模型。

d.計算軌道：在95顆金屬性低於太陽值的0.1%的恆星中，有19顆運行在相當圓的軌道上，而ELS卻完全沒有找到這樣的恆星。

e.差異原因：ELS利用了高速星表來尋找貧金屬星，因而所有貧金屬星具有高速度，也就有較大的軌道偏心率。

論戰2：

a.ELS論點：銀暈在形成之時的自轉是緩慢的，但在坍縮時則自轉越來越快，因此，最年老、最貧金屬的暈族恆星繞銀河系的公轉，就應該比稍年輕些、稍富金屬性的暈族恆星更慢；所以，表示恆星繞銀河系公轉快慢程度的平均V速度，就應該隨恆星金屬性的降低而降低。

b.諾利斯發現：金屬性低於太陽值4%的所有恆星，有著相同的平均V速度 (－190㎞/s)，所有貧金屬星都以同樣的低速度繞銀河系公轉。

支持論戰1、2：

布魯斯．卡爾內 (Bruce Carney) 開始了一項對離太陽1,000光年以內約900顆高速星的巡天計劃，巡天的結果與ELS相矛盾，指出ELS一些缺點：

a.圓軌道上的貧金屬星，ELS認為不存在。

b.貧金屬星的V速度與金屬性不相關，而ELS認為銀暈形成時為單一氣體雲，氣體雲坍縮時自轉加快。

c.所有數據均顯示銀暈星族為高速度、低金屬性、化學及動力演化史完全與銀盤無關。故銀暈是在小伴星系與銀河系合併時，通過西爾勒和金恩討論過的方式形成的。

懸而未決的問題

1.桑得奇：ELS最堅定支持者，堅信四主要論點（銀河系是通過坍縮形成的，坍縮是快速的，恆星的軌道和金屬性之間存在相關性，銀盤是耗散的）。

2.諾利斯：貧金屬星可能與運動特徵有弱的相關性，ELS可能解釋某些貧金屬星的運動，而西爾勒和金恩則可能解釋別的。

3.卡爾內：擴大巡天發現銀暈由兩個成分組成─第一個成分是暈，與盤族無任何動力學的關係，這也許是因為他起源於西爾勒和金恩所說的原星系碎塊。第二個成分是具有類銀盤運動的銀暈成分，他可能是ELS提出通過耗散坍縮形成當前銀盤的那個結構物。

4.金恩：重要的不是誰對誰錯，而是在於ELS和西爾勒及金恩雙方都激發了那麼多工作，推動下一位人物去繼續下一步的研究。(續)