銀河中的魔力轉圈圈①宇宙物質由暗到明

恆星形成是宇宙物質由暗(光學意義)到明(恆星及星系)的關鍵步驟。從1796年拉普拉斯的星雲假說開始,過去了兩個多世紀後,恆星形成領域終於在20世紀的第一個十年透過E.E.Barnard開創的寬視場成像(Barnard,1907,1919,ApJ)進入實測(靠譜+有錢)學科。

Barnard認證的「暗雲」,至今都是本領域研究的重要對象,例如著名的B68 (Alves et al., 2001,Nature)被揭示具有經典的流體力學壓力平衡密度結構Bonnor-Ebert輪廓。又例如基於我們首次捕獲到的正在誕生的暗雲B227(Zuo et al., 2018 ,ApJ 「Catching the Birth of a Dark Molecular Cloud for the First Time」)。這兩個工作分別研究了Barnard認證的第68個和第227個暗雲。

圖注:拉普拉斯及其太陽系星雲起源假說示意圖

圖注:拉普拉斯及其太陽系星雲起源假說示意圖

暗雲之為暗,是由於塵埃消光,但其主要成分是氣體。1951年星際中性原子氫氣(HI)的發現,確立了其為星際介質的主要成分之一。20世紀60年代,Hollenbach和Salpeter的研究明確了氫原子在星際塵埃表面‘複合’成為分子氫。60年代四大天文發現之一的星際一氧化碳(CO)分子,使得難以探測的分子氫氣得以現形,揭示暗雲都是分子云。七八十年代,空間天文興起,紅外巡天確定了年輕恆星誕生於分子云。至此一個恆星誕生的完整圖景基本完成。

圖注:恆星誕生過程

分子的輻射集中在毫米射電波段。恆星形成領域的天文學家從80年代初就開始推動大型毫米波陣列(MMA),經過幾次10年規劃、多邊國際談判、無數次高原反應,MMA演化、成長為當今地面天文設備的巨無霸——ALMA。到目前為止,ALMA觀測用時最多的領域是恆星形成及星際介質,由最初的新興成為主流顯學。

90年代末,我在紐約上州的農村苦讀學位,一把剪刀對付一月頭髮。現在回想起來,那時的手藝為今年的COVID-19疫情宅做了準備。村裡有讓胡適掛科的農場,自產牛奶和冰激凌。村邊有「手指湖」(Finger Lakes),古冰川鑿穿岩石深達數百米,與秋光一起爛漫至天際,非常適合思考恆星形成之三大經典問題:磁場問題、湍流問題、角動量問題。

至今,三大問題無一解決!

至今,三大問題無一解決!

三大問題的本質是多數量級尺度跨越中的能量轉移機制。從幾千光年的彌散星際介質到百萬公里腰圍的太陽,縮水了幾百億倍。如果星際介質中的磁場在具有一定電離度的氣體中凍結,其能量密度將遠高於分子云所擁有的重力勢能。磁場將阻止恆星形成。星際介質中遍佈超音速的湍流。湍動對抗質量相吸的重力,直到在數萬天文單位或更小的尺度,熱運動才達到或超過湍動,使所謂的緻密雲核可能整體塌縮,開啟新一代太陽的星途。

圖注:星際介質包裹中的太陽系

磁場、湍流如何耗散缺乏實證,數值模擬裡面普遍直接忽略或者做生硬的量綱假設。人類距離物理解釋恆星形成尚遠。角動量問題是三大問題中相對簡單的一個。大尺度的星際介質包含或者演化成為許多子結構。宏觀的角動量不必等於局域角動量之和。

90年代以來,特別是哈佛大學天體物理中心Myers和Goodman關於暗分子云核的系列工作,確立了從分子云核中心向外延展5萬億公里左右(這個尺度範圍被稱為亞光年尺度),在這個範圍內角動量已經遠遠小於重力勢能或磁場能或湍動能,而後三者處於能量均分狀態。

能量均分也可能是暗雲磁流體的一個基本性質。我們剛剛發表了對北天6個分子暗雲中雲核角動量的研究(Xu et al., 2020,ApJ)。在計算過程中,考慮了此前同類工作忽視的雲核密度分佈,因而匯出了更為真實、數值更小的角動量,進一步驗證了在亞光年尺度角動量已經不再影響雲核整體塌縮的動力學。從亞光年尺度到恆星尺度(百萬公里),角動量雖然不再影響整體塌縮的動力學,但是依然需要被大量耗散,才能加速物質吸積。一般認為外向流是角動量耗散的重要途徑。

星際介質,特別是分子暗雲中,各個層級的結構逐步緊實,最終小宇宙爆發點燃核聚變成為恆星。這一句話的星途,包含了多種基本物理、化學過程和環境變化:磁場、湍流、重力、熱運動、等離子體、輻射轉移、宇宙線、塵埃演化、無機-有機化學等等相互耦合,糾纏不休。

經過了一個世紀和多次新設備之重大突破,恆星形成的科學描述還主要是唯像的:巨分子云集群(Giant molecular cloud complex)到分子云(cloud)到雲塊(clump)到雲核(core)到年輕星周盤(protostellar disk)加外向流(outflow),最終由於某種神祕力量阻止吸積確定原恆星質量,並且整體達成那個統一的更為神祕的初始質量函數(IMF)。

圖注:恆星形成的唯像描述

星際雲的形狀柔弱多變,但是到了即將塌縮踏上星途的雲核,就圓潤起來,在物理學家眼裡都是球,亦如物理學家眼裡的牛。這個敘事過程樸素可愛:「現在的日子是雞,長大了就變成了鵝;鵝長大了, 就變成了羊;羊長大了, 就變成了牛;等牛長大了, 就是共產主義了……」

圖注:物理牛

如何實現太陽誕生這樣「共產主義」的理想?2009年,人類歷史上最大的單體空間望遠鏡(大過但是輕於哈勃)赫歇爾天文臺的發射升空,帶來了革命性的進步。

未完,我們明天繼續!

作者近期相關論文發表於:

美國《天體物理雜誌快報》Xu et al. 2020, ApJL,DOI:10.3847/2041-8213/ab8ad7,作者:徐雪芳,李菂, 戴昱等

美國《天體物理雜誌》Xu et al. 2020, ApJ,arXiv:2006.04309,作者:徐雪芳,李菂, 戴昱等

中國《天文與天體物理研究》 Yue et al. 2020, RAA,arXiv:2006.04168,作者:嶽楠楠,李菂, 張其洲等

英國《皇家天文學會月報》 Zhang et al. 2020, MNRAS accepted, arXiv:2006.13410, 作者:張超,任志遠, 吳京文等

參考文獻:

Alves, J.F., Lada, C.J., & Lada, E.A. Internal structure of a cold dark molecular cloud inferred from the extinction of background starlight. 2001, nature, 409, 159

Barnard E.E. On a nebulous groundwork in the constellation Taurus. ApJ, 1907, 25:218-225.

Barnard E.E. On the dark markings of the sky, with a catalogue of 182 such objects. ApJ, 1919, 49:1-24.

Hacar, A., Tafalla, M., Forbrich, J., et al. An ALMA study of the Orion Integral Filament. I. Evidence for narrow fibers in a massive cloud. 2018, ApJ, 610, A77

Hollenbach, D., Salpeter, E.E. Molecular Hydrogen Formation on Grains in H I Regions. 1969, BAAS, 1, 244

Li, H.-X., Li, D., Qian L. et al. 2015, Outflows and Bubbles in Taurus: Star-formation Feedback Sufficient to Maintain Turbulence, ApJS, 219, 20

Tan, J. C., & McKee, C. F. 2004, The Formation of the First Stars. I. Mass Infall Rates, Accretion Disk Structure, and Protostellar Evolution, ApJ, 603, 383

Xu, X., Li, D., Dai, Y.S., et al. Independent Core Rotation in Massive Filaments in Orion. 2020, ApJL, 894, L20

Xu, X., Li, D., Dai, Y.S., et al. Rotation of Two Micron All Sky Survey Clumps in Molecular Clouds. 2020, ApJ, arXiv:2006.04309

Yue, N., Li, D., Zhang, Q., et al. Resolution-dependent Subsonic Non-thermal Line Dispersion Revealed by ALMA, 2020, accepted by RAA, arXiv:2006.04168

Zuo P., Li D., Peek J.E. G., et al. Catching the Birth of a Dark Molecular Cloud for the First Time. ApJ, 2018, 867:13.

作者簡介

李菂,國家天文臺研究員,從事天體物理和天文技術研究,撰寫關於獵戶座大質量「寧靜」雲核的系列論文,在美國天體物理雜誌(ApJ)發表。

主編:石碩

輪值主編:戴昱

插圖:蔡琳、佘星宇

編輯:萬昊宜、趙宇豪、柒柒