為什么恒星形成的研究仍處于唯象階段？

□ 國家天文臺 劉 姝 岳楠楠

為什么恒星形成的研究仍處于唯象階段？

□ 國家天文臺 劉 姝 岳楠楠

漫天繁星，最初來自茫茫宇宙中的何方？它們又是如何形成的？對于這些未知，人類一直沒有停下探索的腳步。

由哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的蜘蛛星云恒星形成區(qū)（圖片來源：APOD）

天文學(xué)家經(jīng)過長期的研究發(fā)現(xiàn)，恒星形成與星系的重要組成成分——星際介質(zhì)有著密切關(guān)系。星際介質(zhì)（interstellar medium），顧名思義，是指恒星間彌漫的各種物質(zhì)，主要是由大量的氣體和塵埃組成。它們一般都非常稀薄，彌散在星際空間中。

在物質(zhì)比較密集的區(qū)域，星際介質(zhì)會以云狀聚集物——云的形式存在，像極了藍(lán)天中的白云。然而，實際上與恒星最初形成有關(guān)的云卻是暗的。暗云是一種由塵埃和冷氣體構(gòu)成的云，由于它遮蔽了來自位于背后的恒星和亮云的光，所以才會以“剪影”的形式被我們看見。暗云具有很大的厚度，能阻擋周圍恒星的輻射加熱，于是其中心區(qū)域會保持很低的溫度。在這樣低溫、高密度的條件下，氣體將由原子轉(zhuǎn)化為分子，故以成分而言，暗云往往是分子云，它們是恒星形成的場所。分子云核則是指分子云的高密度核心區(qū)域。云核最開始的形狀可能是不規(guī)則的，整體圍繞某個軸轉(zhuǎn)動。在一定的物理條件下，已聚集了大量氣體和塵埃的云核會因為自引力作用迅速坍縮，中心密度不斷增大，形成具有超高密度和溫度的球體。隨著坍縮的進(jìn)行，中心致密球體的溫度和輻射壓都急劇上升，外圍氣體則在轉(zhuǎn)動角動量的作用下繞轉(zhuǎn)著掉落，逐漸在中心球體之外形成一個吸積盤。中心球體的質(zhì)量、密度和輻射壓力不斷增大，在某種驅(qū)動力作用下，大量氣體從垂直于吸積盤的方向噴射而出，形成我們所說的雙極外向流，并釋放多余的角動量，而核心的部分就是年輕的原恒星。在未來的幾十萬年中，年輕的原恒星會不斷吸積周圍的物質(zhì)，并被擠壓變得更亮、更熱，直到引發(fā)了內(nèi)部的聚變反應(yīng)，一顆像太陽那樣的恒星就此誕生了。事實上，我們對分子云知道的還要多一些，因為天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)展出了能探測我們看不見的暗云內(nèi)部的強(qiáng)大工具——射電望遠(yuǎn)鏡。

既然我們對于恒星的形成并非一無所知，那為什么說我們對于該領(lǐng)域的認(rèn)知仍處于唯象階段呢？

所謂唯象，是指對于現(xiàn)象的概括總結(jié)和提煉出經(jīng)驗性的規(guī)律，但還未形成普適的、系統(tǒng)化的科學(xué)理論或?qū)ζ渲械年P(guān)鍵物理過程尚未明確——即知其然，不知其所以然。

天文學(xué)是建立在人類對宇宙和天體的認(rèn)識之上的一門觀測科學(xué)，望遠(yuǎn)鏡則是天文學(xué)家手中不可缺少的工具。從地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、射電望遠(yuǎn)鏡，發(fā)展到空間天文設(shè)備，我們看向宇宙的視野不斷開闊和深入。隨著觀測手段的進(jìn)步和觀測精度的提高，天體物理研究的各個領(lǐng)域也在完成從唯象描述到理論體系解釋和嚴(yán)格計算的過程。

比如恒星物理，是以恒星為研究對象，對恒星內(nèi)部的各種物理過程、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與演化、恒星大氣的輻射轉(zhuǎn)移和光譜特性等內(nèi)容進(jìn)行研究的一個領(lǐng)域，目前已形成了較為完整和相對成熟的理論體系。相比較而言，恒星形成研究則更為復(fù)雜——它具有涉及的尺度量級非常廣，以星際介質(zhì)這種彌散、暫態(tài)的特殊天體作為研究對象，物理、化學(xué)過程繁多且相互關(guān)聯(lián)等特點，并且目前觀測技術(shù)手段和計算機(jī)能力也有局限，因此恒星形成的定量研究乃至理論體系的形成仍存在非常大的困難。

下面通過兩個有趣的小例子——分子云核（eg1）和纖維狀結(jié)構(gòu)（eg2），來講講在唯象的情況下恒星形成的研究是怎樣的。

分子云核是一個具象的、實體的、三維的存在，當(dāng)我們觀測分子云中的云核時，由于它離我們的距離至少在上千光年的數(shù)量級，所以通過現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡的觀測我們?nèi)匀粺o法得到它的全部細(xì)節(jié)，能夠看到的只是它在觀測方向上的二維投影信息，更為遺憾的是，即使對于這些信息我們也無法全然分辨。打個比方，利用現(xiàn)有的望遠(yuǎn)鏡觀測幾千光年之外的分子云核就好比我們站在呼倫貝爾草原的邊界望向茫茫草原中心一頭正在悠然吃草的奶牛。一頭真實存在的奶牛有著具體的形狀和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如頭、軀干、四肢、尾巴等。然而當(dāng)我們從很遠(yuǎn)的地方看向它，只能看到大概的輪廓和一些顯著的特征，具體細(xì)節(jié)我們無法得知，看到的只是沿著觀察方向上的一個二維圖像。這就是我們從唯象的角度觀察一個三維物體的基本過程。類似的，在實際研究中，對于這種情況，天文學(xué)家常使用模型化的手段來解決問題，即通過已有的數(shù)學(xué)模型對分子云核的形狀和結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化和近似，保留其最主要的特征并從物理上進(jìn)行詮釋。對于分子云核，通常的方法是將它假設(shè)為具有多層球殼的理想球形。當(dāng)然，經(jīng)過層層的模型化近似，得到的物理信息準(zhǔn)確性也大打折扣了。所以說，我們要得到精確的理論框架還有很長的路要走！

又比如目前恒星形成領(lǐng)域比較熱門的方向——星際介質(zhì)纖維狀結(jié)構(gòu)的研究?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)很多分子云氣體分布呈現(xiàn)出條狀形態(tài)，并且有許多條形結(jié)構(gòu)的氣體編織成纖維狀的復(fù)雜形態(tài)(eg2中所繪的是Taurus L1495/B213恒星形成區(qū)中一個纖維狀結(jié)構(gòu)的示意圖，有興趣的讀者可參考http∶//adsabs.harvard.edu/ abs/2013A%26A...554A..55H這篇文章里的圖12)。有人認(rèn)為正是這些纖維狀結(jié)構(gòu)在不穩(wěn)定的狀態(tài)下碎裂坍縮成分子云核，從而形成了恒星。

然而我們不禁要問，星際空間中氣體的纖維狀結(jié)構(gòu)是真實存在的嗎？是否只是一些碎片或某個“面”由于投影效應(yīng)形成的錯覺？它們是與恒星在物理、化學(xué)方面的演化存在真實關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)，或只是對于現(xiàn)象的形象描述？這種結(jié)構(gòu)在不同天文尺度上普遍存在嗎？對于這些問題，在目前的研究中還存在著大量爭議，看來我們的所知還真不是想象中的那么清楚。

星際介質(zhì)（interstellar medium）與星系際介質(zhì)（intergalactic medium）：

即便只是“望文生義”，二者的區(qū)別也顯而易見。星際介質(zhì)是位于星系內(nèi)部，恒星之間的物質(zhì)，主要由氣體和塵埃（指一些固體的小顆粒，典型直徑約為0.1微米）組成。天文愛好者們熟知的明亮星云如獵戶座大星云，以及位于銀盤上的冷暗的塵埃云，都是典型的星際介質(zhì)。星際介質(zhì)既是恒星孕育的場所，也是恒星死亡之后的墳場。星系際介質(zhì)則是位于星系之外的廣闊空間內(nèi)的物質(zhì)，主要是一些稀薄且高溫的電離氣體，通常密度比星際介質(zhì)要低得多。星際介質(zhì)跟星系際介質(zhì)之間并非“涇渭分明”，而是互有交流。一方面，星系附近的氣體不斷流入星系內(nèi)部成為星際介質(zhì)，另一方面，部分星系內(nèi)的氣體在超新星爆發(fā)乃至活動星系核的噴流的驅(qū)動下也在不斷逃逸出星系，成為星系際介質(zhì)的一部分。

說了這么多，天文學(xué)家如何才能把恒星形成的研究向前推進(jìn)一步？歸根到底，還是需要依賴觀測設(shè)備的發(fā)展和分析技術(shù)手段的提升。為了解決這些問題，天文學(xué)家一直在不懈追尋和努力。值得欣喜的是，隨著天文技術(shù)的發(fā)展，一大批先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡給我們帶來了福音，比如赫歇爾空間天文臺（Herschel）、阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）、500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）等。這些新的觀測設(shè)備在望遠(yuǎn)鏡口徑、觀測天區(qū)覆蓋范圍、可觀測頻段、靈敏度等技術(shù)指標(biāo)上都有了極大的提升。這些觀天利器將使我們能看到“奶?！钡母嗉?xì)節(jié)，相信在不久的將來我們就會得到“奶?！钡那逦?D照了！

注：本文的插圖是2014年7月在上海天文臺舉行的第三屆青年天文論壇上的海報作品。更多信息可參閱：http:// yastro.csp.escience.cn/dct/page/70013。圖片作者：劉姝、岳楠楠。后期：李瑞文。