近期，中国科学院上海天文台研究团队在疏散星团结构研究中取得重要进展，揭示了疏散星团具有致密核心及延展外晕的双成分结构特征，大大扩展了疏散星团的空间范围。这一研究成果开创了疏散星团研究的全新视角，刷新了以往研究对疏散星团物理尺寸和疏散星团单一组分的空间结构特征的认知，对天文学家更全面认识和理解疏散星团的形成和演化以及恒星在星团中的形成机制都具有重要意义。相关研究成果于2022年7月发表在国际著名天文学期刊《天文学报》（The Astronomical Journal）上。 

　　现代天文学研究表明^[1]，银河系中大部分恒星诞生于银盘的巨分子云中。银盘上同一批诞生的恒星在演化初期主要以疏散星团的形式存在，而后由于内部动力学演化和外部潮汐力的双重作用，大部分疏散星团经历了质量损失和瓦解过程，导致其成员星逐渐离开疏散星团并散落到银河系各处，最终成为了构成银河系盘和旋臂结构的场星。由此可见，疏散星团在恒星形成和银河系结构演化中均扮演了重要角色，对疏散星团本身特征及其形成和演化过程的认识将为研究恒星和星系的形成和演化奠定重要基础。 

　　早在20世纪初，著名天文学家Sharply就曾猜测：我们目前认识的疏散星团可能只是高密度的核心成分，其外围可能存在着分布更为广泛的低密度延展成分^[2]。但是，受限于疏散星团的背景场星密度通常远高于其延展成分的成员星密度，天文学家很难从投影空间上将延展成分的星团成员筛选出来。因而近百年的疏散星团研究均只关注了星团的核心部分，星团延展结构的研究仅仅停留在理论预言阶段^[3]。 

　　随着Gaia数据的释放^[4]，其前所未有的天体测量精度（0.05 mas, G=17mag，EDR3）使得天文学家利用高精度自行数据在速度空间准确区分星团成员星和背景场星成为可能。疏散星团的研究至此进入了一个全新的时代，越来越多的新疏散星团和延展结构开始被发现并报道^[5-10]。 

　　在此基础上，上海天文台研究团队利用机器学习算法UPMASK对256个疏散星团的成员星进行了系统搜寻和认证，发现其中229个星团的径向密度轮廓无法用经典的King（1962）模型^[11]作合理描述——经典模型严重低估了星团外围空间的成员星密度。为此，研究人员创造性地提出了“King分布+对数高斯分布”的双成分模型来拟合疏散星团的径向密度轮廓。结果显示，疏散星团径向密度轮廓能够很好地用双成分模型来描述。这其中，King分布主要描述了星团的核心区域分布特征（传统认知的星团区域），对数高斯分布则有效地揭示了星团延展区域的分布特征（新认知的星团区域）。 

　　“该研究成果很好地证明了我们之前对疏散星团的认知和研究确实存在着片面和不足。相比于星团核心成分，延展成分所表现出的不同分布特征说明了其并不是传统认知的星团在空间上的简单扩展和延续，延展结构的形成和演化可能由新的物理机制所主导。”上海天文台的钟靖副研究员表示，“我们现在认识到的疏散星团物理大小，几乎是之前星团的6-10倍。疏散星团的典型尺度，已经从之前的5-10 pc扩展到了30-100 pc。” 

　　论文的第二作者陈力研究员展望道：“包含延展结构的两成分模型为我们更全面地认识疏散星团提供了可能，也为疏散星团的研究开创了一个全新的视角，将为我们研究星团及恒星在不同星际环境中的形成和演化、进而揭示其主导的物理机制奠定基础。” 

　　该研究得到了国家自然科学基金委、科技部与中科院青促会的大力资助。 

图：以三个典型疏散星团（NGC_2972,NGC_6811,Gulliver_17）为例。左图显示了疏散星团在位置空间的分布，红色区域为传统认知的星团区域，黄色为本文标记的星团区域。中图和右图中，红点为疏散星团的径向密度分布轮廓，红线实线为传统King模型，蓝色实线为本文的两成分模型。可见，疏散星团的物理尺度相比于传统认知有了很大的扩展，双成分模型更好地描述了新认知下的疏散星团径向密度分布。 

论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ac77fa 

参考文献： 

[1] Krumholz, M. R., McKee, C. F., and Bland-Hawthorn, J., “Star Clusters Across Cosmic Time”, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, vol. 57, pp. 227–303, 2019.  

[2] Shapley, H., “Studies based on the colors and magnitudes in stellar clusters. III. A catalogue of 311 stars in Messier 67”, Contributions from the Mount Wilson Observatory / Carnegie Institution of Washington, vol. 117, p. 1, 1916. 

[3] Danilov, V. M., Putkov, S. I., and Seleznev, A. F., “Dynamics of the coronas of open star clusters”, Astronomy Reports, vol. 58, no. 12, pp. 906–921, 2014.  

[4] Gaia Collaboration, “Gaia Data Release 2. Summary of the contents and survey properties”, Astronomy and Astrophysics, vol. 616, 2018.  

[5] Zhong, J., Chen, L., Kouwenhoven, M. B. N., Li, L., Shao, Z., and Hou, J., “Substructure and halo population of Double Cluster h and χ Persei”, <i>Astronomy and Astrophysics</i>, vol. 624, 2019. doi:10.1051/0004-6361/201834334. 

[6] Bai, L., Zhong, J., Chen, L., Li, J., and Hou, J., “Discovery of Extended Structure Around Open Cluster COIN-Gaia 13 Based on Gaia EDR3”, <i>Research in Astronomy and Astrophysics</i>, vol. 22, no. 5, 2022. doi:10.1088/1674-4527/ac60d2. 

[7] Zhang, Y., Tang, S.-Y., Chen, W. P., Pang, X., and Liu, J. Z., “Diagnosing the Stellar Population and Tidal Structure of the Blanco 1 Star Cluster”, The Astrophysical Journal, vol. 889, no. 2, 2020.  

[8] Pang, X., “3D Morphology of Open Clusters in the Solar Neighborhood with Gaia EDR 3: Its Relation to Cluster Dynamics”, The Astrophysical Journal, vol. 912, no. 2, 2021.  

[9] He, Z., “New Open-cluster Candidates Found in the Galactic Disk Using Gaia DR2/EDR3 Data”, The Astrophysical Journal Supplement Series, vol. 260, no. 1, 2022.  

[10] Castro-Ginard, A., “Hunting for open clusters in Gaia EDR3: 628 new open clusters found with OCfinder”, Astronomy and Astrophysics, vol. 661, 2022. 

[11] King, I., “The structure of star clusters. I. an empirical density law”, The Astronomical Journal, vol. 67, p. 471, 1962.  

科学联系人： 

　　钟靖，中国科学院上海天文台，jzhong@shao.ac.cn