天文台快遞| 「老虎」吃掉球狀星團

望遠鏡中那些可愛的毛球

春天午夜，使用一台30-40厘米口徑的道布森望遠鏡去目視搜索武仙座，會發現一個非常可愛的天體，長的如同一個白色毛球，倘若換上高倍目鏡，可以看到密集到爆的恆星，這就是著名的武仙座大球狀星團M13。球狀星團是一類神秘的天體，數十萬顆恆星在那裡扎堆，他們是宇宙中最密集最古老的引力束縛恆星系統。

大約有150個球狀星團繞行在銀河系中繞行，而更大質量的星系可有超過10,000個球狀星團。由於球狀星團中不同質量的恆星基本在同一時間形成，它們是研究恆星演化的理想實驗室。此外，球狀星團的動力學演化非常複雜。不同於在星系中疏散分布的恆星，球狀星團的密度如此之高以至於恆星很容易在引力作用下近距離接觸，甚至相互碰撞。這些過程也導致雙星在這樣的環境下比星系中的離散分布的雙星系統更加緊密，同時也導致了』質量分離』的現象：大質量的恆星會遷移至星團的中心。

迷之球狀星團

球狀星團的演化由於單星和雙星的自身的變化變得更加複雜。大質量恆星（超過8個太陽質量）在形成後的早期階段會有很強的星風。這些星風會帶走恆星的物質導致恆星出現顯著的質量損失。這些恆星演化至末期則會發生核坍縮並引發超新星爆炸，留下中子星或黑洞這種緻密天體（後者質量介於10至50太陽質量之間）。這些緻密天體不能通過常規的基於接收電磁輻射的觀測手段（如光學望遠鏡）直接觀測到。在星團演化過程中，有相當一部分的大質量雙星系統是由雙黑洞組成的。他們能通過引力波輻射損失能量而變得更加緊密，正如我們在數值模擬觀測的那樣。

天龍項目，「老虎」吃掉球狀星團

由國家天文台「外專千人」瑞奈爾?斯普澤母教授（RainerSpurzem）率領的、中歐科學家組成的國際團隊，利用國家天文台「老虎」小型GPU集群，以及德國馬普計算與數據裝置的高性能GPU集群，首次實現了對百萬恆星組成的球狀星團的多體模擬。這是迄今為止，國際上規模最大、最為逼真的星團動力學數值模擬項目，不僅前所未有地再現了球狀星團的細節觀測特怔，而且還為探測「暗不可見」的黑洞世界提供了重要線索，並預測出近期探測到引力波釋放的雙黑洞併合事件，極其可能就發生在球狀星團中心。

對大規模的球狀星團進行自洽的數值模擬一直是一個長期的挑戰。由中國科學院國家天文台，北京大學科維理天文與天體物理研究所及德國馬普研究所組成的研究團隊，實現了目前為止最自洽的百萬恆星級球狀星團的長達120億年演化的數值模擬，並且考慮了銀河系的潮汐力場對星團演化的影響。天龍數值模擬作為國家天文台絲綢之路天龍數值模擬國際合作項目的一部分，是在Hydra超級計算機上完成的。該超級計算機屬於德國馬普所的超級計算和數據存儲設施中心。並且該工作成為星團多體力學數值模擬的新里程碑。它的順利實現離不開對數值模擬軟體的顯著改進。

現在，利用該程序可以得到球狀星團初始質量為0.08-100太陽質量的單星和雙星從初始階段往後的所有動力和恆星演化詳細過程，包括恆星在銀河系的潮汐力場下的逃逸過程。恆星演化包括從主序星，紅巨星，漸進巨支星到恆星的遺迹這幾個主要階段。

抄到引力波的老窩？

最近，LIGO團隊觀測到了離地球410兆秒差距的一對雙黑洞系統併合產生的引力波。在天龍星團數值模擬結果中，我們也發現了類似的併合雙黑洞系統，但不只一個，而是每個星團數十個。我們預計未來幾個月或幾年內會有更多這樣的引力波信號被探測到。我們也在對模擬數據中的引力波事件做更深入的統計分析。但對引力波事件的預測並非易事，因為它取決於星團自身的演化以及它們在星系中的數量和分布。不過，我們已經可以預測，與天龍星團類似的球狀星團是最近觀測到的引力波事件的可能宿主之一。

這些通過引力波探測到的雙黑洞併合事件都只是冰山一角。我們發現，球狀星團的中心區域的動力學演化是由成百上千的恆星質量黑洞主導的。他們能夠顯著影響可見恆星的運動。未來的研究應側重於檢驗球狀星團中的是否有恆星級質量黑洞組成的緻密集團，而不是去期待中等質量黑洞的存在。

Hydra 超級計算機(1.7 PetaFlop/s) 運行於馬普計算與存儲設施，擁有676塊Kepler K20 圖形加速卡 (1 PetaFlop/s); 下：「老虎」超級計算機(96 TeraFlop/s)，運行於中國科學院國家天文台。擁有64塊KeplerK20 圖形加速卡).

數值模擬揭示經過了120億年演化後的球狀星團的假彩色圖像 (BVI) (中間的星團直徑大約60秒差距) 。不同類型的天體分開顯示在不同的子圖：We highlight the different stellar types splitinto main 主序星(MS), 紅巨星(RG) 貢獻了絕大部分的可見光, 漸進巨支星(AGB), 雙星(BS), 白矮星(WD)以及不可見的黑洞 (BH). 黑白圖中顯示的黑洞在星團中心形成了一個緻密集團。

哈勃太空望遠鏡觀測到的赫羅圖（左）和數值模擬生成的赫羅圖的比較（中、右）

中國國家天文

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