一颗星星诞生需要多久?“中国天眼”挑战恒星形成理论

一颗星星诞生需要多久?“中国天眼”挑战恒星形成理论

导读:近日,中科院国家天文台天眼FAST(中国天眼)对恒星分子云的观测结果,挑战了的恒星形成经典模型,研究成果上《自然》封面。那么,什么是恒星形成的经典模型呢?这次的结果又是什么?

仰望夜空,星汉灿烂,在夜空数以万计的星辰之中恒星是最多的天体。相对于人类短暂的一生,它们好像镶嵌在夜空之中一般,永恒闪烁。

一颗星星诞生需要多久?“中国天眼”挑战恒星形成理论

然而没有什么是真正的永恒,恒星本身也有生命周期,它们像人一样会出生 、生长 、老去直至死亡,在绚丽的超新星爆炸中结束自己灿烂的一生。

那么,首先一颗恒星是怎么诞生的呢?

真空宇宙并不真空,宇宙里充满各种宇宙射线和气体分子。

气体分子聚集的地方呈弥散的云雾状形态,因此被称为分子云,恒星就是在星际分子云中被孕育。

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分子云在星际空间缓慢演化, 在某些局部形成密度相对较高的区域,被称为分子云核随着分子云核的进一步演化,其内部的热运动斥力不能再抵御自身的引力,便开始了所谓引力塌缩, 最终快速演化形成恒星。

但是分子云坍缩成为恒星的过程并不简单,还会被其他过程所抗衡,比如磁力。重力尽力把物质“拉”到一起,而磁场产生的斥力则把它们“顶住”,不允许它们继续收缩。分子云密度越高的地方,重力越大,磁场也越强。在这场漫长的拉锯战中,磁场通过双极耗散等作用慢慢“消失”,重力获得胜利,最后形成恒星。这就是恒星形成的经典模型。

一颗星星诞生需要多久?“中国天眼”挑战恒星形成理论

在这个框架体系下,一颗恒星的孕育过程可能需要长达上千万年。

虽然经典模型已经建立,但是要验证这个模型并非易事,因为分子云的星际磁场强度测量是全球天文界的共性挑战,“磁通量问题”是恒星形成中经典三大难题之一

目前,可用于测量磁场强度的唯一手段就是“塞曼效应”,这一效应由荷兰物理学家塞曼于1896年发现,即把产生光谱的光源置于足够强的磁场中,磁场作用于发光体使光谱发生变化,一条谱线即会分裂成几条不同的颜色的谱线(有点类似于白光透过棱镜)。

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根据光谱的变化,科学家就可以反推出磁场的强度。

但是,要探测星际空间分子云的塞曼效应绝非易事,因为广阔的距离和极弱的磁场强度( μG),分子和磁场的作用普遍非常弱,因此塞曼效应也非常弱。

为了更好地测量出星际磁场,中国科学家设计出一种通过测量氢原子的谱线来测量星际磁场的方法——“中性氢窄线自吸收方法”。其原理是原子对磁场的响应会比分子强,氢原子是宇宙中丰度最高的元素,广泛存在于宇宙的不同时期,也是不同尺度物质分布的最佳示踪物之一,而FAST望远镜凭借其强大的灵敏度恰好是探测暗弱中性氢源的利器。

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于是科学家将天眼对准了距离地球450光年外的金牛座L1544分子云,测量了L1544分子云的精确磁场强度。

星云L1544的分子云核孕育着一颗即将诞生的恒星。在此之前,原来排世界第一的阿雷西博射电望远镜已经测量了L1544分子云外层和内核的磁场强度。在外层,磁场占据着主导作用;内核虽然磁场更强,但分子密度也更大,因此重力占主导作用,然而还缺少介于外层和内核之间中间层的数据。

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因此本次研究中,科学奖通过FAST望远镜测量了L1544 分子云包层的磁场强度,首次实现了的中性氢窄线自吸收方法塞曼效应的探测。

研究人员发现,与标准模型的预测结果不同,从恒星外围的冷中性星云到原恒星核,具有基本一致的、连贯性的磁场结构,磁场强度并没有随分子密度增大而变得也更大,因此分子云核万有引力占主导作用。这表明在恒星形成的早期阶段,磁场斥力不足以阻止分子云在引力作用下发生坍缩,与之前恒星形成的标准理论不一致。

这一发现对于理解恒星形成的天体物理过程至关重要。在这种情况下,孕育恒星的分子云团内核高密度区的核聚变的触发,可能要比之前人们认为的快10倍。

一颗恒星的形成可能只需百万年,而不是之前认为的上千万年。

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这项突破性的研究成果与FAST运行效率和观测质量密不可分。

自2020年1月11日中国天眼开始运行至今,“天眼”凭借其超高灵敏度的明显优势成为中低频射电天文领域的观天利器,吸引全球天文学家加盟,已经有来自14个国家(不含中国)的27份国际天文观测项目获得批准并启动。

相信在未来,FAST将会在快速射电暴起源与物理机制、搜寻脉冲星、利用脉冲星测时阵列探测引力波和宇宙大尺度结构等方向深化人类对宇宙的认知,人类也会站在这些巨人的肩膀上眺望星辰大海。

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参考资料:

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

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投稿时间:2022-01-12  最后更新:2022-04-29

标签:天眼   恒星   斥力   磁场强度   磁场   中国   星际   测量   宇宙   模型   多久   分子   星星   理论

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