为什么星团中形成的白矮星和黑洞会留在星团中，而中子星会被踢出星团？

在宇宙的浩瀚星海中，星团是恒星诞生的摇篮，也承载着它们生命的终章。当我们谈论恒星演化到末期产生的致密天体——白矮星、中子星和黑洞——在星团中的命运时，会发现它们的情况似乎有所不同。有人会问，为什么一些恒星的“遗骸”能够安然地留在星团里，而另一些却像是被一股强大的力量“踢出”了家园？这背后，其实是天体物理学中几个关键过程在起作用。

首先，我们需要理解这些致密天体是如何诞生的。它们都是大质量恒星在耗尽核燃料后，经历剧烈爆发（超新星）所留下的核心。这个爆发过程，尤其是超新星爆发，是决定这些“遗骸”未来命运的关键。

不对称的超新星爆发：“后坐力”效应

恒星在爆炸时，并不是以一种完全对称、均匀的方式将物质向四面八方抛洒。物质的抛射往往是不均匀的，某些方向的抛射速度会比其他方向更快、更猛烈。这种不对称的物质抛射，就像是枪支在开火时产生的后坐力一样，会给恒星的核心——也就是即将形成的致密天体——一个反冲力。

这个“后坐力”的强度，与超新星爆发过程中能量和物质的分布密切相关。

白矮星： 白矮星是质量相对较小的恒星（通常是太阳质量的8倍以下）演化到最后的产物。它们在变成白矮星之前，通常经历的是温和得多的“渐近巨星支”阶段，其外层物质会逐渐散失，形成行星状星云。虽然也会有物质抛射，但通常不像大质量恒星的超新星爆发那样剧烈和不对称。因此，形成的白矮星通常不会获得很大的“后坐力”，它们的运动速度相对较慢，不足以克服星团的引力束缚。

中子星： 中子星是质量介于大约8到20倍太阳质量的恒星坍缩的产物，它们的超新星爆发通常更加猛烈。研究表明，中子星的超新星爆发往往伴随着极其不对称的物质抛射，甚至可能产生强大的定向喷流（Jetted Supernovae）。这些喷流将巨量的能量和物质以极高的速度向特定方向释放，从而在物理学上产生一个非常可观的反冲。这个反冲力赋予了中子星一个很高的“初始速度”，被称为“超新星遗迹速度”（kick velocity）。

黑洞： 黑洞是质量最大的恒星（通常超过20倍太阳质量）演化末期的产物。它们的超新星爆发同样是宇宙中最剧烈的事件之一。与中子星类似，黑洞的形成也可能伴随不对称的物质抛射和定向喷流。然而，关键的区别在于，黑洞的形成过程可能更加复杂，有时甚至涉及到物质在落入黑洞的过程中产生强大的吸积盘和喷流，这些过程也可能产生巨大的反冲力。

速度的差异与星团束缚

星团，尤其是年轻的疏散星团，虽然有恒星聚集，但其整体质量和引力束缚相对而言并不如球状星团那样强大。星团中的恒星以一定的速度在引力作用下运动，形成一个动态的平衡。

白矮星 获得的“后坐力”很小，它们的运动速度通常与星团中其他恒星的运动速度相当，因此它们会留在星团的引力范围内。

中子星 在超新星爆发中获得的高速“后坐力”，使其运动速度可以达到数百甚至上千公里每秒。这样的速度远远超过了大多数星团的逃逸速度。一旦获得足够的速度，中子星就会以抛物线或双曲线轨迹飞离星团，成为“星际流浪者”。

黑洞 的情况与中子星类似，它们形成过程中也可能获得显著的“后坐力”。如果这个速度足够大，黑洞理论上也会被踢出星团。但是，这里有一个重要的细微差别： 黑洞的形成机制和超新星爆发的细节，尤其是“后坐力”的大小，相比于中子星，研究得更加复杂和不确定。一些理论认为，某些黑洞的形成过程可能产生的“踢力”相对较小，或者黑洞本身质量更大，其引力作用更强，从而更容易留在星团中。此外，如果黑洞与另一颗恒星形成双星系统，在超新星爆发中，围绕黑洞旋转的恒星的运动，以及黑洞自身的质量，都可能影响到最终产生的“踢力”方向和大小。

双星系统的影响

值得注意的是，许多大质量恒星并非孤立存在，而是形成双星或多星系统。当一颗恒星在双星系统中经历超新星爆发时，情况会变得更加复杂：

对称的爆发，但另一颗恒星还在： 如果爆发虽然不对称，但其净冲量接近于零，或者爆发产生的反冲方向恰好与另一颗恒星围绕它的轨道运动方向相抵消，那么形成的致密天体（中子星或黑洞）可能会留在原有的轨道上，或者以较小的速度运动。

不对称的爆发，伴随伴星的运动： 如果爆发非常不对称，并且伴星仍然存在，那么爆发产生的“踢力”可能会导致整个双星系统（或多星系统）的轨道发生剧烈改变。如果踢力足够大，不仅会给新形成的致密天体一个速度，还会改变伴星的轨道。如果新形成的致密天体（尤其是中子星）获得了很高的速度，它可能会拖曳着伴星一起离开星团，也可能直接将伴星踢开。

总结来说，为何白矮星和黑洞可能留在星团，而中子星更容易被踢出，原因可以概括为：

1. 形成机制与爆发不对称性： 中子星形成过程中，超新星爆发的“后坐力”普遍被认为最大，这是由于其形成的大质量恒星经历的超新星爆发通常更剧烈、更不对称。白矮星形成前的过程相对温和，后坐力小。黑洞的形成虽然也伴随爆发，但具体“踢力”的普遍性和大小，比中子星更复杂，可能存在某些情况下踢力较小或被抵消的情况。
2. 获得速度的差异： 由上述爆发不对称性导致，中子星在形成时更容易获得一个足以逃离星团的高速。
3. 质量与引力： 虽然同为致密天体，但质量不同。通常黑洞质量较大，可能在一定程度上抵消了部分“踢力”的影响，或者黑洞的强引力场本身在星团中更难被轻易摆脱。
4. 双星系统效应： 双星系统中的复杂相互作用，包括伴星的存在和轨道动力学，会进一步影响最终的“踢力”效果。

所以，我们看到的现象，并非绝对“谁留下，谁被踢出”，而是一个概率性的结果，其中超新星爆发的不对称性是决定性的因素，而中子星恰好是这类“高速踢离”现象中最典型的代表。

网友意见

中子星是大质量恒星（大于8个太阳质量）在标志其生命终结的超新星爆炸后残留的致密核心。由于超新星爆炸不可能完全对称，而只要稍微偏离对称，这场爆炸就会给残留的中子星——它的质量较小，一般小于约2个太阳质量——充值以巨大的动能。据 Lyn & Lorimer 1994 估计，这“一脚”踹出的速度，平均为450km/s，远大于球状星团中心处的逃逸速度（一般约为50km/s）。

所以人们预期，球状星团中的中子星在诞生的同时，绝大部分都会被产生自己的爆炸踢出星团之外，漂流到银河系场星之中，甚至逃到银河系之外。

但是对球状星团的实际观测发现，其中残留的中子星数量比预期的要多，也即并没有那么大比例的中子星真的被踢走，这就是所谓的球状星图中子星“保留问题”（retention problem）。Pfahl+ 2002 对此提出了一种解释：当中子星属于一对双星的成员时，由于有伴星拽着，在超新星爆发时比较不容易被踢飞。所以通过调整双星的比例，可以解释球状星团里中子星的保留问题。

同样由大质量恒星在超新星爆炸后坍缩形成的黑洞，也有被自己踢飞的问题。但是 Mandel 2015 总结认为，黑洞诞生时把自己踢飞的速度一般不超过100km/s，比中子星的要小很多，这样会有大得多的比例不会超过球状星团的逃逸速度。

白矮星的形成则可以通过和平得多的方式——在中小质量恒星演化晚期，逐步抛出外层大气，最后剩下的就是白矮星，这样的形成过程不会给白矮星那样激烈的临门一脚，所以白矮星诞生时往往不会有很高的速度。有人（Davis+ 2006）也发现了球状星团中的白矮星在诞生时有一点小小的初始速度，但只有几个km/s，远小于球状星团的逃逸速度，所以白矮星基本上都可以在球状星团中留下来。

但是也有人指出，如果白矮星参与 Ia 型超新星的形成，它也同样可以被炸飞到100km/s以上（Hansen 2003）。

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