撥開(kāi)星際磁場(chǎng)迷霧

“中國(guó)天眼”新成果擴(kuò)展恒星形成認(rèn)知

此次利用FAST獲得的觀測(cè)值，說(shuō)明分子云及原恒星核存在磁力耗散的其他機(jī)制，分子云可能比經(jīng)典理論想象的更早達(dá)成磁超臨界狀態(tài)，也就是恒星形成的過(guò)程可能比想象中更早更快。新的發(fā)現(xiàn)將推動(dòng)解決磁通量問(wèn)題。

——李菂 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、FAST首席科學(xué)家

◎?qū)嵙?xí)記者 孫 瑜

在星際介質(zhì)和恒星的形成過(guò)程中，磁場(chǎng)是必不可少的，但由于人類(lèi)對(duì)宇宙的了解有限，星際磁場(chǎng)始終是一個(gè)“迷霧繚繞”的話(huà)題。

1月6日，《自然》以封面文章的形式發(fā)表了被譽(yù)為“中國(guó)天眼”的中國(guó)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)利用中性氫譜線測(cè)量星際磁場(chǎng)的研究成果。

該研究由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、FAST首席科學(xué)家李菂領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)完成?！斑@篇文章的重要性體現(xiàn)在方法的創(chuàng)新以及不同于經(jīng)典理論預(yù)期的觀測(cè)結(jié)果。”李菂告訴科技日?qǐng)?bào)記者。此次研究成果為解決恒星形成三大經(jīng)典問(wèn)題之一的“磁通量問(wèn)題”提供了重要的觀測(cè)證據(jù)。

恒星的起源與“磁通量問(wèn)題”

什么是“磁通量問(wèn)題”？

李菂以太陽(yáng)這顆大家最熟悉的恒星為例解釋道，作為太陽(yáng)系的中心，太陽(yáng)是一座高熱的“核聚變反應(yīng)堆”，和其他恒星一樣，隨時(shí)都在噴發(fā)著巨大的能量。不過(guò)，恒星并非宇宙物質(zhì)的主要構(gòu)成，人類(lèi)肉眼能夠看到的那些閃閃發(fā)亮的恒星，其質(zhì)量總和要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于星際介質(zhì)的質(zhì)量總和。

太陽(yáng)這顆恒星誕生之前，就是一團(tuán)由星際介質(zhì)組成的分子云。

李菂說(shuō)：“研究恒星的形成，就是研究星際物質(zhì)的演化。其中非常重要的一環(huán)，就是研究星際介質(zhì)如何聚合在一起，形成核聚變反應(yīng)。核聚變反應(yīng)能‘點(diǎn)亮’恒星，從而點(diǎn)亮宇宙?！?/p>

星際介質(zhì)聚合在一起，并非易事。由于其分布較廣、密度較低，想要塌縮并形成恒星，需要跨越數(shù)以?xún)|計(jì)的空間尺度。而且只有在足夠的密度和壓強(qiáng)下，才能產(chǎn)生足夠的溫度，促成核聚變“點(diǎn)火”。

在20世紀(jì)60年代基本形成的相關(guān)理論框架中，星際介質(zhì)聚合并塌縮為恒星的過(guò)程被稱(chēng)為“重力塌縮”。通俗地說(shuō)，作為向心力，重力能把介質(zhì)“壓在一塊”，在中心形成極高的密度和溫度，實(shí)現(xiàn)核聚變。

然而，重力塌縮面臨著一系列能量上的阻礙。湍流問(wèn)題、角動(dòng)量問(wèn)題、磁通量問(wèn)題就是其中的3個(gè)經(jīng)典問(wèn)題。

李菂解釋道，這三大經(jīng)典問(wèn)題有一個(gè)核心共同點(diǎn)，即它們都涉及“對(duì)抗”重力塌縮的力量。在星際介質(zhì)收縮、密度增加的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生對(duì)抗重力的、向外的、阻礙進(jìn)一步塌縮的壓力。

磁通量問(wèn)題就涉及阻礙重力塌縮的壓力來(lái)源之一。

“描述一個(gè)磁場(chǎng)，中學(xué)教科書(shū)里會(huì)畫(huà)一個(gè)磁鐵，有南極北極，還有象征附近能量場(chǎng)的、不會(huì)交叉的磁力線。”李菂表示，星際介質(zhì)也有磁場(chǎng)，當(dāng)其進(jìn)一步收縮時(shí)，表面積減小，單位面積里穿出來(lái)的磁力線(磁通量)大幅提高，從而產(chǎn)生向外頂?shù)拇抛枇Α?/p>

星際介質(zhì)要想形成恒星，就要克服磁通量問(wèn)題。李菂說(shuō)：“研究磁通量問(wèn)題，即探索這些普通情況下不會(huì)相互交叉的磁力線，是如何被耗散掉，從而使恒星形成過(guò)程得以繼續(xù)的?！?/p>

FAST觀測(cè)到微弱但重要的磁場(chǎng)信號(hào)

在本次研究中，李菂和研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在原恒星核包層中，存在一個(gè)非常微弱的磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)的強(qiáng)度僅相當(dāng)于地球磁場(chǎng)的十萬(wàn)分之一。

這是一個(gè)高置信度的重要發(fā)現(xiàn)。

“結(jié)合其他觀測(cè)證據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)星際介質(zhì)形成的分子云從外圍到核心的磁場(chǎng)沒(méi)有發(fā)生劇烈變化，這和經(jīng)典理論的期待值是完全不一樣的?！崩钋叡硎荆馕吨肿釉瓶赡芸朔舜磐繂?wèn)題。

在經(jīng)典理論中，隨著分子云密度的增加，其磁場(chǎng)的磁力線密度也會(huì)增加，分子云內(nèi)核的磁場(chǎng)就會(huì)相應(yīng)地變化?！按舜卫肍AST獲得的觀測(cè)值，說(shuō)明分子云及原恒星核存在磁力耗散的其他機(jī)制，分子云可能比經(jīng)典理論想象的更早達(dá)成磁超臨界狀態(tài)，也就是恒星形成的過(guò)程可能比想象中更早更快。新的發(fā)現(xiàn)將推動(dòng)解決磁通量問(wèn)題。”李菂說(shuō)。

能夠獲得如此重要的觀測(cè)值，原創(chuàng)性的研究方法十分重要。這一方法就是李菂和研究團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)的中性氫窄線自吸收。

中性氫既是氫原子，也是宇宙中豐度最高的元素，廣泛存在于宇宙的不同時(shí)期，是不同尺度物質(zhì)分布的最佳示蹤物之一。相比大多數(shù)分子的輻射，氫原子的輻射不僅能提供潛在的、更高信噪比的信號(hào)源，而且對(duì)同樣強(qiáng)度下的塞曼效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生更大響應(yīng)。

塞曼效應(yīng)可簡(jiǎn)單理解為光沿著磁場(chǎng)傳播時(shí)和磁場(chǎng)的相互作用。通過(guò)測(cè)量塞曼效應(yīng)，可了解所觀測(cè)的星際空間的磁場(chǎng)強(qiáng)弱。

中性氫窄線自吸收方法，李菂與同事們探索了近20年。

在FAST落成啟用前，1963年建成的美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡一直是世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡。2003年，利用阿雷西博望遠(yuǎn)鏡，李菂和同事合作完成了一次對(duì)于距離地球較近的、具有恒星形成潛力的分子暗云原子發(fā)射系統(tǒng)觀測(cè)。在這個(gè)過(guò)程中，李菂認(rèn)識(shí)到羥基(OH)發(fā)射各方面的特征與原子輻射十分相像。于是，他結(jié)合新發(fā)現(xiàn)，將梳理歸納的新方法命名為“中性氫窄線自吸收”(HINSA)，這個(gè)新方法可以直觀反映觀測(cè)中星際介質(zhì)從原子到分子的關(guān)鍵變化過(guò)程。

“HINSA現(xiàn)在已成為研究分子云形成時(shí)間尺度的一個(gè)最為可靠而且相對(duì)通用的實(shí)驗(yàn)方法。本次研究一個(gè)重要的出發(fā)點(diǎn)即實(shí)現(xiàn)HINSA潛在的測(cè)量塞曼效應(yīng)的能力?！崩钋吀嬖V記者。

恒星磁場(chǎng)能量耗散的兩種可能

如何解釋磁通量問(wèn)題？天文學(xué)家提出了“雙極耗散”的經(jīng)典理論。這一理論認(rèn)為，星際磁場(chǎng)的耗散過(guò)程發(fā)生在分子云的內(nèi)核處。

當(dāng)星際介質(zhì)從原子變成分子且密度足夠高時(shí)，分子云中便會(huì)存在能夠擋掉電離光子的塵埃。而當(dāng)分子云足夠“暗黑”，即有很多塵埃遮蔽之后，其中的電子就非常少了，主要成分是中性粒子。帶電介質(zhì)少，磁場(chǎng)作用雖然仍然存在，但是會(huì)隨著中性和帶電介質(zhì)的逐漸解耦而減弱。

“這個(gè)過(guò)程的效率非常差。根據(jù)經(jīng)典理論，在分子云的內(nèi)核，即分子云最密、最黑暗的地方，磁力線需要幾千萬(wàn)年才能耗散掉。然而據(jù)FAST此次觀測(cè)，某個(gè)相對(duì)年輕、還沒(méi)有形成恒星但達(dá)到一定密度的分子暗云，其內(nèi)部磁場(chǎng)已經(jīng)耗散掉了。”李菂介紹說(shuō)，這說(shuō)明磁場(chǎng)能量耗散可能存在其他過(guò)程。

李菂和研究團(tuán)隊(duì)在這篇文章的最后提出了兩種可能性解釋。

一種可能是磁重聯(lián)。磁重聯(lián)是太陽(yáng)爆發(fā)過(guò)程中重要的能量釋放過(guò)程。一般認(rèn)為，快速磁重聯(lián)是如耀斑、日冕物質(zhì)拋射和噴流等多種太陽(yáng)爆發(fā)現(xiàn)象的主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制。李菂說(shuō)：“我們可以這樣簡(jiǎn)單理解磁重聯(lián)。本來(lái)不交叉的磁力線由于某種原因交叉了，磁場(chǎng)無(wú)法穩(wěn)定存在，隨即通過(guò)某種過(guò)程將能量釋放并耗散掉?！?/p>

另一種可能是湍流。雖然磁力抑制物質(zhì)受引力影響向中心塌縮，但物質(zhì)實(shí)際上可以沿著磁力線運(yùn)動(dòng)。湍流可推動(dòng)物質(zhì)沿磁力線流動(dòng)，加速物質(zhì)和磁場(chǎng)耦合，使得流動(dòng)后形成的密度更高的地方，磁力線密度并沒(méi)有增加，從而實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)能量等效耗散。

關(guān)鍵詞： 分子云 星際介質(zhì) 李菂 恒星形成 原恒星