導讀:近日,中科院國家天文臺天眼FAST(中國天眼)對恆星分子云的觀測結果,挑戰了的恆星形成經典模型,研究成果上《自然》封面。那麼,什麼是恆星形成的經典模型呢?這次的結果又是什麼?
仰望夜空,星漢燦爛,在夜空數以萬計的星辰之中恆星是最多的天體。相對於人類短暫的一生,它們好像鑲嵌在夜空之中一般,永恆閃爍。
然而沒有什麼是真正的永恆,恆星本身也有生命週期,它們像人一樣會出生 、生長 、老去直至死亡,在絢麗的超新星爆炸中結束自己燦爛的一生。
那麼,首先一顆恆星是怎麼誕生的呢?
真空宇宙並不真空,宇宙裡充滿各種宇宙射線和氣體分子。
氣體分子聚集的地方呈彌散的雲霧狀形態,因此被稱為分子云,恆星就是在星際分子云中被孕育。
分子云在星際空間緩慢演化, 在某些區域性形成密度相對較高的區域,被稱為分子云核。隨著分子云核的進一步演化,其內部的熱運動斥力不能再抵禦自身的引力,便開始了所謂引力塌縮, 最終快速演化形成恆星。
但是分子云坍縮成為恆星的過程並不簡單,還會被其他過程所抗衡,比如磁力。重力盡力把物質“拉”到一起,而磁場產生的斥力則把它們“頂住”,不允許它們繼續收縮。分子云密度越高的地方,重力越大,磁場也越強。在這場漫長的拉鋸戰中,磁場透過雙極耗散等作用慢慢“消失”,重力獲得勝利,最後形成恆星。這就是恆星形成的經典模型。
在這個框架體系下,一顆恆星的孕育過程可能需要長達上千萬年。
雖然經典模型已經建立,但是要驗證這個模型並非易事,因為分子云的星際磁場強度測量是全球天文界的共性挑戰,“磁通量問題”是恆星形成中經典三大難題之一。
目前,可用於測量磁場強度的唯一手段就是“塞曼效應”,這一效應由荷蘭物理學家塞曼於1896年發現,即把產生光譜的光源置於足夠強的磁場中,磁場作用於發光體使光譜發生變化,一條譜線即會分裂成幾條不同的顏色的譜線(有點類似於白光透過稜鏡)。
根據光譜的變化,科學家就可以反推出磁場的強度。
但是,要探測星際空間分子云的塞曼效應絕非易事,因為廣闊的距離和極弱的磁場強度( μG),分子和磁場的作用普遍非常弱,因此塞曼效應也非常弱。
為了更好地測量出星際磁場,中國科學家設計出一種透過測量氫原子的譜線來測量星際磁場的方法——“中性氫窄線自吸收方法”。其原理是原子對磁場的響應會比分子強,氫原子是宇宙中丰度最高的元素,廣泛存在於宇宙的不同時期,也是不同尺度物質分佈的最佳示蹤物之一,而FAST望遠鏡憑藉其強大的靈敏度恰好是探測闇弱中性氫源的利器。
於是科學家將天眼對準了距離地球450光年外的金牛座L1544分子云,測量了L1544分子云的精確磁場強度。
星雲L1544的分子云核孕育著一顆即將誕生的恆星。在此之前,原來排世界第一的阿雷西博射電望遠鏡已經測量了L1544分子云外層和核心的磁場強度。在外層,磁場佔據著主導作用;核心雖然磁場更強,但分子密度也更大,因此重力佔主導作用,然而還缺少介於外層和核心之間中間層的資料。
因此本次研究中,科學獎透過FAST望遠鏡測量了L1544 分子云包層的磁場強度,首次實現了的中性氫窄線自吸收方法塞曼效應的探測。
研究人員發現,與標準模型的預測結果不同,從恆星外圍的冷中性星雲到原恆星核,具有基本一致的、連貫性的磁場結構,磁場強度並沒有隨分子密度增大而變得也更大,因此分子云核萬有引力佔主導作用。這表明在恆星形成的早期階段,磁場斥力不足以阻止分子云在引力作用下發生坍縮,與之前恆星形成的標準理論不一致。
這一發現對於理解恆星形成的天體物理過程至關重要。在這種情況下,孕育恆星的分子云團核心高密度區的核聚變的觸發,可能要比之前人們認為的快10倍。
一顆恆星的形成可能只需百萬年,而不是之前認為的上千萬年。
這項突破性的研究成果與FAST執行效率和觀測質量密不可分。
自2020年1月11日中國天眼開始執行至今,“天眼”憑藉其超高靈敏度的明顯優勢成為中低頻射電天文領域的觀天利器,吸引全球天文學家加盟,已經有來自14個國家(不含中國)的27份國際天文觀測專案獲得批准並啟動。
相信在未來,FAST將會在快速射電暴起源與物理機制、搜尋脈衝星、利用脈衝星測時陣列探測引力波和宇宙大尺度結構等方向深化人類對宇宙的認知,人類也會站在這些巨人的肩膀上眺望星辰大海。
參考資料:
Ching, TC., Li, D., Heiles, C. et al. An early transition to magnetic supercriticality in star formation. Nature 601, 49–52 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04159-x
https://phys.org/news/2022-01-coherent-interstellar-magnetic-field.html
https://www.nature.com/articles/d41586-021-03803-w
https://mp.weixin.qq.com/s/dp56ZUjKUxhoyrTtsckBRA