質量層化

質量層化是天文學中被引力束縛系統中的一種動力學過程，例如星團或星系團，傾向於大質量的天體移動到中心，而較輕的天體分佈在外層。

很多球狀星團，像是130億年老的M30（如圖），有着質量層化。

動能的能量平均分配

當星團中的兩個物體靠近時，會彼此交換能量和動量。雖然，能量的交換可以是任意方向的，但是在過程上，兩個物體的動能傾向於均衡，這種統計的現象稱為均分，是類似於預期的氣體分子的動能在給定的溫度下都是相同的事實。

由於動能正比於質量和速度的平方，要均分動能，低質量的天體就需要比較快速的移動速度。因此，質量越大的成員，其軌道往往越低（即軌道越接近集團的質量中心），同時質量越輕的成員傾向於上升至越高的軌道。

星團中成員的動能大致均衡所需要的時間稱為該集團的弛豫時間。假設能量是經由兩個物體的交互作用下進行交換，在Binney & Tremaine的教科書中提出弛豫時間的近似尺度是：

${\displaystyle t_{\mathrm {relax} }={\frac {N}{8\ln N}}\times t_{\mathrm {cross} }\ ,}$

此處${\displaystyle N}$是集團中恆星的數量，${\displaystyle t_{\mathrm {cross} }}$是一顆恆星跨越集團的典型時間。在半徑10秒差距，擁有10萬顆恆星的球狀星團中，典型的時間尺度大約是一億年。在星團中，大質量恆星的層化比低質量恆星更快。時間尺度的近似可以使用萊曼·史匹哲發展，只有兩個質量體（${\displaystyle m_{1}}$和${\displaystyle m_{2}}$）的玩具模型來推導。在這樣的情況下，質量較大的（質量 ${\displaystyle m_{1}}$）層化時間為

${\displaystyle t_{\mathrm {m_{1}} }={\frac {m_{2}}{m_{1}}}\times t_{\mathrm {relax} }\ .}$

有人使用哈伯太空望遠鏡研究球狀星團杜鵑座47分離在外層區域的白矮星^[1]。

初發質量層化

在星團的恆星形成區，像是W 40，偶爾也能觀察到質量層化（如圖）^[2]。

初發質量層化在星團中的質量分佈是不均勻的構造。星團的初發質量層化參數是維里化的程度和星團年齡的時間尺度。然而，相較於二體交互作用，有幾種動力學的機制被認為可以加速維里化^[3]。在恆星形成區經常可以觀察到O型星優先位於年輕星團的中心。

蒸發作用

在弛豫之後，一些低質量成員的速度會大於群體的逃逸速度，結果是這些成員會從群體中遺失。這個過程稱為蒸發。（類似於解釋一些行星損失大氣層中質量較輕的氣體，例如地球上均分後的氫和氦。這些足夠輕的氣體在大氣層的頂端將超過地球上的逃逸速度，因此會丟失。）

經由蒸發，多數的疏散星團最終會消散，這一現象呈現在現存的疏散星團都很年輕的事實上。球狀星團顯得更為緊密，似乎能更為持久。

在銀河系

銀河系的弛豫時間大約是10兆年，幾乎是銀河系現在年齡的1,000倍。因此，在我們的星系中觀察到的質量層化現象幾乎完全是初發的。

相關條目

• N體問題
• 維里定理
• M 67
• 威爾曼1
• 獵戶星雲星團（Orion Nebula Cluster）
• W 40

參考資料

1. Hubble Catches Stellar Exodus in Action. Space Daily. 18 May 2015 [2016-08-21]. （原始內容存檔於2016-08-18）.
2. Kuhn, M. A.; et al. A Chandra Observation of the Obscured Star-forming Complex W40. Astrophysical Journal. 2010, 725 (2): 2485–2506. Bibcode:2010ApJ...725.2485K. arXiv:1010.5434 . doi:10.1088/0004-637X/725/2/2485.
3. McMillan, S. L.; et al. A Dynamical Origin for Early Mass Segregation in Young Star Clusters. Astrophysical Journal. 2007, 655 (1): L45–L49. Bibcode:2007ApJ...655L..45M. arXiv:astro-ph/0609515 . doi:10.1086/511763.

來源

• Ian A. Bonnell, Melvyn B. Davies. Mass segregation in young stellar clusters. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 1998, 295 (3): 691–698. Bibcode:1998MNRAS.295..691B. doi:10.1046/j.1365-8711.1998.01372.x.

• Merritt, David. Dynamics and Evolution of Galactic Nuclei. Princeton University Press. 2013 [2022-07-24]. ISBN 978-0-691-12101-7. （原始內容存檔於2021-08-05）.

• Spitzer, Lyman S. (Jr). Dynamical Evolution of Globular Clusters. Princeton University Press. 1987. ISBN 0-691-08309-6.

• White, S. D. M. Mass segregation and missing mass in the Coma cluster. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. April 1977, 179: 33–41. Bibcode:1977MNRAS.179...33W. doi:10.1093/mnras/179.2.33.