质量层化

质量层化是天文学中被引力束缚系统中的一种动力学过程，例如星团或星系团，倾向于大质量的天体移动到中心，而较轻的天体分布在外层。

很多球状星团，像是130亿年老的M30（如图），有着质量层化。

动能的能量平均分配

当星团中的两个物体靠近时，会彼此交换能量和动量。虽然，能量的交换可以是任意方向的，但是在过程上，两个物体的动能倾向于均衡，这种统计的现象称为均分，是类似于预期的气体分子的动能在给定的温度下都是相同的事实。

由于动能正比于质量和速度的平方，要均分动能，低质量的天体就需要比较快速的移动速度。因此，质量越大的成员，其轨道往往越低（即轨道越接近集团的质量中心），同时质量越轻的成员倾向于上升至越高的轨道。

星团中成员的动能大致均衡所需要的时间称为该集团的弛豫时间。假设能量是经由两个物体的交互作用下进行交换，在Binney & Tremaine的教科书中提出弛豫时间的近似尺度是：

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

此处$N$是集团中恒星的数量，$t_{\mathrm {cross} }$是一颗恒星跨越集团的典型时间。在半径10秒差距，拥有10万颗恒星的球状星团中，典型的时间尺度大约是一亿年。在星团中，大质量恒星的层化比低质量恒星更快。时间尺度的近似可以使用莱曼·史匹哲发展，只有两个质量体（$m_{1}$和$m_{2}$）的玩具模型来推导。在这样的情况下，质量较大的（质量 $m_{1}$）层化时间为

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

有人使用哈伯太空望远镜研究球状星团杜鹃座47分离在外层区域的白矮星。

初发质量层化

在星团的恒星形成区，像是W 40，偶尔也能观察到质量层化（如图）。

初发质量层化在星团中的质量分布是不均匀的构造。星团的初发质量层化参数是维里化的程度和星团年龄的时间尺度。然而，相较于二体交互作用，有几种动力学的机制被认为可以加速维里化。在恒星形成区经常可以观察到O型星优先位于年轻星团的中心。

蒸发作用

在弛豫之后，一些低质量成员的速度会大于群体的逃逸速度，结果是这些成员会从群体中遗失。这个过程称为蒸发。（类似于解释一些行星损失大气层中质量较轻的气体，例如地球上均分后的氢和氦。这些足够轻的气体在大气层的顶端将超过地球上的逃逸速度，因此会丢失。）

经由蒸发，多数的疏散星团最终会消散，这一现象呈现在现存的疏散星团都很年轻的事实上。球状星团显得更为紧密，似乎能更为持久。

在银河系

银河系的弛豫时间大约是10兆年，几乎是银河系现在年龄的1,000倍。因此，在我们的星系中观察到的质量层化现象几乎完全是初发的。

相关条目

• N体问题
• 维里定理
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• W 40

参考资料

来源

• 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. （原始内容存档于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.