双星对星族合成研究的重要性

李忠木

（大理学院天文学与科技史研究所，云南大理 671003）

1 双星及其统计特征

双星是由两个恒星构成的系统。根据观测结果，大部分（超过一半）的恒星存在于双星系统中，很多时候因为彼此间的距离足够近以至于恒星质量可以从一颗恒星转移到另一颗恒星。这种现象在由两颗非简并的正常恒星中，或者由一个正常恒星和一个致密星（如白矮星、中子星、黑洞），以及由两个致密星构成的系统中都存在。

这些双星系统具有明显的统计特征〔1〕。双星的轨道周期分布非常广，可以从11 min到100万年。通常认为周期在100年以内的双星可以产生明显的观测效应，因此是研究的重点。如果双星的周期小于10年，那么两个子星由于靠得很近因此它们之后的演化会受到彼此的影响。统计上看，双星周期的对数值接近常数。双星的质量比还没有非常准确的测定，它似乎和恒星的质量和周期相关。双星的质量分布可以用一个指数函数近似地描述（Salpeter形式）〔2〕。双星的椭率分布则呈现为0到1的均匀分布。根据这些统计特征，我们可以通过大样本的模拟研究对星系和星团中的双星进行详细的分析。

2 独特的双星演化

由于双星的子星间有多种相互作用（如图1）〔1〕，因此双星的演化与单星的演化有很大不同。

图1 几种双星作用的卡通示意图

双星作用中最重要的一种是洛希瓣外流（RLOF）。人们通常采用A情形（主序、氢燃烧）、B情形（氢燃烧结束但无中心氦燃烧）和C情形（中心氦燃烧终止）对此过程进行描述。对于一个5倍太阳质量的恒星，它的半径可以在三种情形的物质转移过程中增大至1000倍。因此，洛希瓣外流对双星演化的影响是巨大的。

双星作用的第二种形式是稳定的质量转移。转移的质量被另一个子星完全吸收，从而导致两子星相互远离。这种过程能导致氢已燃尽、但却有富氢壳层的氦星。

第三种相互作用是不稳定的质量转移。这种情况出现在一颗子星转移出的质量不能被另一颗子星完全吸收的情形中。这种方式导致物质在吸积星表面堆积最终填满甚至超过其洛希瓣，形成公共壳层。这种情形常在移出物质的恒星是具有对流壳层的巨星或超巨星时出现。和洛希瓣外流相反，这种模式会导致极短周期系统的出现。

双星作用的第四种方式是双星并合。这是一种非常具有戏剧性的结果。如果公共包层演化阶段轨道能在旋进中被耗散以致不能弹出壳层，那么两个子星将最终并合在一起，形成一颗单星。这种结局的恒星会具有非常快的转动。据双星星族合成研究估计，有5%～10%的恒星会出现并合现象。

为了实现上述的双星作用，子星通常需要经过膨胀、损失角动量等物理过程。

3 双星对星族合成研究的影响

3.1 双星对星族颜色的影响 根据我们的研究，双星的存在会使相同金属丰度和年龄的双星星族比单星星族看起来更蓝（如图2）。这主要是因为双星演化中出现了很多单星演化难以出现的亮蓝星，如蓝离散星和B型热亚矮星。所以，双星会直接影响到我们对星族温度、年龄的估计〔3-5〕。

图2 双星星族（bsSP）和单星星族（ssSP）的颜色比较

3.2 双星对星族能谱的影响 由于双星子星间的相互作用，双星会明显改变星族的能谱。我们的研究显示，有双星的双星星族在紫外波段会比同样参数的单星星族明显更亮〔6-7〕（如图3）。这能够自然地解释为什么有很多早型星系和球状星团仍然像年轻星族那样具有随波长减小而能流上升的能谱现象。虽然这种现象也可以通过年轻的恒星进行解释，但是由于椭圆星系、球状星团这样的天体星族成分较单一且年龄很老，所以用加入双星进行解释是一种非常自然和合理的选择。

图3 双星星族和单星星族的能谱比较

3.3 双星对星族颜色-星等图的影响 双星的加入还对星族的颜色-星等图研究产生显著的改变〔8-9〕。首先，不可分辨双星会使主序展宽〔8〕，这和哈勃望远镜等的观测一致。另外，双星作用能够产生蓝离散星、黄离散星、红离散星等特殊恒星（如图4），并形成双重或者展宽的红团簇结构（如图5）。在考虑了恒星转动的情况下，双星的考虑还能够产生多重或展宽的主序拐点，形成“高尔夫球杆”状的颜色-星等图〔9〕。这种解释被认为是目前对大麦哲伦云中等年龄球状星团颜色-星等图的最佳解释〔4，8-9，14〕。

图4 双星星族和单星星族的颜色-星等图比较

图5含双星和恒星转动的一个简单星族的颜色-星等图

3.4 双星对星族谱指数的影响 由于双星作用改变了恒星的质量和元素比例，因此就改变了星族的能谱和谱指数。根据我们的研究，同样参数的双星星族具有比单星星族更大的年龄敏感谱指数和更小的金属丰度敏感谱指数（如图6）。这预示着双星的加入会显著改变简单星族的年龄和金属丰度确定〔4-5〕。

图6 双星星族和单星星族的谱指数比较

3.5 双星对星族参数确定的影响

3.5.1 基于谱指数比较的简单星族参数确定 谱指数常用于分析那些恒星成分较简单天体的星族，如早型星系、星团等。通常人们采用对金属丰度和年龄敏感的谱指数对星族年龄和金属丰度进行限制。常见的金属丰度敏感指数有Fe5015、Fe5270、Fe5335、Mg2、Mgb、〔MgFe〕等，年龄敏感谱指数有Hβ、HγA、HγF、D4000等。

我们的工作分析了当我们采用Hβ和〔MgFe〕这两个常用谱指数对星族金属丰度和年龄进行确定时，考虑双星所带来的结果改变〔4，10〕。结果显示：使用双星将得到更老的星族年龄和更大的金属丰度。为了方便使用，我们还对用双星星族模型和单星星族模型得到的结果进行了拟合〔4〕，结果为：

式中 Zb、Zs、tb、ts分别为双星星族模型和单星星族模型得到的金属丰度（Z）和年龄（t）。这有助于解释为什么之前人们总得到与宇宙年龄不符的椭圆星系的年龄。

3.5.2 基于颜色比较的简单星族参数确定 虽然使用谱指数对简单星族的参数进行确定较为可靠，但是对于很多遥远的星系我们通常难以获得它们的准确光谱，因此经过探索〔11-12〕，人们也采用颜色对这些星系的星族进行研究。我们的工作中考察了使用(u-r)和(r-K)颜色时，通过双星星族模型和单星星族模型所得结果的差别。结果显示双星星族可以得到更老的年龄〔4〕。

3.5.3 基于光谱拟合的复合星族参数确定 光谱拟合是星系和星团研究的重要手段，通过光谱拟合人们可以对天体的距离、速度弥散、尘埃消光、恒星质量、星族金属丰度、年龄、恒星形成历史等进行分析。我们也开展了一些研究，研究中我们详细研究了双星对这些参数确定的影响〔7〕。

结果表明，双星的考虑会对星系和球状星团的参数确定造成显著的影响。首先，考虑了双星演化的效应后，我们将得到明显更老的年轻星族成分，而且用双星星族模型和单星星族模型得到的结果没有相关性。因此，使用双星星族模型将得到与单星星族研究结果完全不同的恒星形成历史。其次，双星演化的考虑也会对尘埃消光的测定造成影响。一般情况下用双星星族模型得到的消光更强。这解释了为什么以前人们用单星星族模型进行研究时需要负的星系尘埃消光。最后，考虑双星的模型将得到与单星星族研究结果不同的平均年龄、恒星速度弥散值。

研究中我们还意外地发现球状星团的不同紫外能谱来源于其星族成分的不同〔7〕。但是，用单星星族模型进行研究时，我们会得到很相似的星族成分。这从另一个角度证明了双星在星族合成研究中具有不可替代的作用。

3.5.4 双星对星系测光红移测定的影响 一些学者研究了双星对星系测光红移测定的影响，发现在考虑双星的情况下，星系红移值将发生明显的改变〔13〕。因为双星普遍存在，所以用双星星族得到的结果更可靠。

4 讨论

4.1 双星的重要性 根据上面的综述，我们看到双星在星族合成研究中具有非常重要的作用。如果要得到星系的准确恒星形成历史和较老天体的正确星族参数，大家必须考虑双星的影响。我们预计在不久的将来考虑双星的星族合成会成为星族研究的主流方法。但是，我们的研究也显示对于星族较年轻的天体而言，双星的作用很可能并不明显。这是因为双星的一个最主要方面是改变了星族的紫外能谱，而年轻恒星也有类似的特征。

4.2 目前研究的不足 虽然已经开展了大量相关的工作，构建了一些双星星族合成模型〔14-17〕，但是由于星族合成本身存在很大的不确定性，其中很多参数间存在明显的耦合效应，因此，我们的结果其实是给出了双星作用的上限。另外，因为实际天体中双星比例、周期分布、椭率分布等很可能不同，所以我们采用了特定的参数也可能对结果造成一些不确定性。将来的研究应该结合星族合成的各种不确定性进行更详细的研究，以期更准确地给出双星对星族合成研究的影响。

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