天文学

青春之泉

哈勃太空望远镜对恒星和行星起源的观察揭示了诸如大量物质驱逐的剧烈机制。

托马斯·雷 科学档案N°30
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在我们纬度南部一个美丽的冬夜里,我们可以看到一个典型的矩形,内部有三颗恒星排列在一起:希腊神话中的猎户猎户星座。在猎户座腰带的三颗星之下,我们可以看到一个昏暗的昏暗点。猎户座星云(Orion Nebula)这个地区是一个巨大的恒星托儿所,这里有成千上万的小恒星。

猎户座星云是研究恒星诞生的便利场所:它相对较近(距离我们只有1,500光年),并且包含低质量恒星和大质量恒星的混合物;此外,它还以分子氢云(H2)的形式包含大量的气体和尘埃,这是新恒星的原料。 Orion目前正在使用的机制很可能反映了我们银河地区的情况,当时太阳和行星是在50亿年前形成的。

由于过去十年来进行的研究计划,天文学家注意到,婴儿恒星看起来像类星体,星系核的比例模型,物质的喷流通过旋转磁场高速射出。这些青春的恒星喷泉为我们提供了壮观的图像,但最重要的是帮助我们解决了长期以来一直抵制天文学家的悖论。

星星的辛勤工作

就在200多年前,法国数学家Pierre Simon Laplace提出了太阳系是气体旋转云的结果的想法。据他介绍,大部分气体被重力吸引到中心,形成了太阳。同时,一部分物质通过年轻的太阳的旋转逃逸了吸收,形成了一个圆盘。最终,行星从这些遗骸中冒出来。最近对该现象进行的数值模拟表明,一旦云层坍塌,就会迅速形成几个成分:一个或多个恒星,一个原行星盘,残留的气体包层(分离的原子和分子)和尘埃。 (原子和分子的集合)。

拉普拉斯(Laplace)的模型没有被普遍接受,几十年前竞争理论仍然有他们的追随者。例如,一些人认为,行星是恒星通过而被太阳撕裂的物质的结果。如何在这些理论之间做出决定?通过观察这些区域。不幸的是,直到最近,残留的气体和尘埃云才掩盖了感兴趣的区域,即使我们可以刺破这个面纱,望远镜也无法分辨在那里形成的微小圆盘(常规望远镜无法分辨出如果它们位于200光年以外的地方,则看不到Sun-Pluto大小的磁盘)。

此外,天文学家还面临理论问题。年轻的(100,000年历史的)太阳型恒星在几天内旋转,比成熟的太阳大四到五倍。当这些恒星收缩时,它们应该开始旋转得越来越快,就像溜冰者将手臂靠近身体时一样。相反,太阳在一个月内旋转。是什么让他慢下来?

另一个难题是分子云的寿命。重力使它们坍塌,并且在没有支撑的情况下,它们应该在几百万年内崩溃。但是,这些云层似乎抵抗了数千万年。他们如何得到支持?这些云的温度为10或20开尔文(–263或–253°C),太冷了,无法承受热压。湍流也许很好,但是它来自何处?在像猎户座这样的巨大分子云中,由它们所包含的巨大恒星产生的粒子风和冲击波可能会“搅动酱汁”并引起这种湍流,但是许多较小,平静的云却没有任何巨大的恒星。 。

第一个障碍在1970年代后期被克服:天文学家开始观察穿过尘埃覆盖层的波长处的恒星形成区域。尘粒吸收可见光,但在远大于晶粒尺寸的波长处几乎没有影响,晶粒的直径约为微米。因此,通过研究毫米波长处的这些区域(尚未探索的光谱区域,该区域位于无线电和红外域之间),天文学家已经确定了密集的团簇和寒冷,通常直径为一光年。这些团块,也称为分子核,所含气体与几个太阳一样多。他们很快被旋转的拉普拉斯云所识别。

在天文学中,这一发现导致了新的奥秘。这些分子心脏中的一些正在崩溃中,但是观察到的大多数心脏都已稳定下来,原因尚不清楚。导致它们坍塌的因素还不清楚,可能是外部原因,例如附近超新星爆炸。但是主要的谜团关系到物质运动的方向。根据拉普拉斯的假设,恒星是重力积聚的结果,而天文学家预计会看到气体坍塌进入密实心的迹象。

令他们惊讶的是,他们发现分子气体从心脏移开。许多年轻恒星两侧的两个巨大的分子气体裂片证明了这种喷射。这些叶片的长度只有几光年,其质量等于或大于年轻恒星本身的质量,并且它们以每秒几十公里的速度移动。

被赶出摇篮

分子裂片非常类似于由活动星系(例如类星体)喷出的巨大的高温气体裂片。多年来,天文学家已经知道这些炽热的裂片是由活跃星系产生的。这些射流以接近光速的速度射出,并跨越数百万光年(参见1998年8月,迈克尔·迪斯尼的《科学的新面貌》,For Science)。恒星形成区域的分子裂片是这些喷流的缩影的结果吗?

这个想法使人想起了1950年代初天文学家George Herbig和Guillermo Haro的发现。 Herbig随后在利克天文台和墨西哥Tonantzintla天文台的Haro工作,他们分别在猎户座星云中发现了模糊的小斑点。这些小云层今天被称为赫比格-哈罗天体,最初被认为是恒星形成的场所(一些主流天文学著作仍在传播这种错误的理论)。 1975年,当时在圣克鲁斯大学(University of Santa Cruz)的理查德·施瓦茨(Richard Schwartz)注意到,赫比格-哈罗(Hertig-Haro)天体的幽灵非常类似于超新星遗骸的幽灵。由于谱线的多普勒频移,他计算得出Herbig-Haro对象以每秒几百公里的速度运动。

这些速度低于经典超新星遗留物的速度,但施瓦茨(R. Schwartz)认为原理是相同的:赫比格-哈罗(Hertig-Haro)物体将是从恒星逸出的加热气体。像超新星遗留物一样,加热是由气体本身的运动引起的:冲击波将总动能的一部分转换成热能,然后转换成辐射。比较相隔数年的Herbig-Haro物体的照片,证实了这一想法:气体确实在移动。追溯这一运动的起源,天文学家发现Herbig-Haro物体的来源始终是几千年前的年轻恒星。

使用ccd传感器已证实了这一联系,该传感器具有比传统照相板更高的灵敏度和对比度。 1983年,德国海德堡马克斯·普朗克研究所的莱因哈德·蒙德和约瑟夫·弗里德首次对CCD进行了恒星喷射观测。欧洲南方天文台(eso)的R. Mundt,Bo Reipurth和其他人(包括作者)的后续工作表明,年轻恒星的喷流持续了数光年。它们与Herbig-Haro的物体紧密相连。实际上,发现这些物体中有许多是射流中最亮的部分。其他一些问题是由以超音速穿过环境气体的射流产生的冲击波的实体化,例如围绕在空中呼啸的左轮子弹周围的冲击波。射流的温度为10,000度,每立方厘米包含100个原子,也就是说,它们的密度比周围环境高,但仍比我们能达到的最佳真空高10,000倍。在地球上获得实验室。在恒星附近,射流很窄(几度),但离恒星较远,它们呈扇形散开,直径大于冥王星的轨道直径。

本质上由原子和离子组成的Herbig-Haro对象与分子流之间有什么联系?当发现分子波时,天文学家想象它们可能由年轻恒星附近的加速气体组成。这个想法提出了新的困难。分子流,甚至与低质量恒星相关的分子流,通常都包含多个太阳气体气体。如果要在吸回大量物质之前将其吸回,则恒星形成将是效率极低的机制。一个更令人满意的解释是,分子瓣由一直处于射流路径中并已加速的环境气体组成。

这些观察都没有找到问题的根源:围绕新生恒星的盘。天文学家早就积累了这些盘的存在的间接证据。在1980年代初期,天文学家利用红外天文卫星iras发现许多新星的红外辐射过高,远远超出了仅对这颗星的期望。这种过量的最可能来源是光盘中包含的热尘。大约在同一时间,毫米波望远镜揭示了这些恒星周围的气体和尘埃的质量:太阳质量在0.01至0.1之间,正好是形成行星系统所需的物质数量。 。在1980年代中期,爱德华·丘奇威尔(Edward Churchwell)和他的同事在威斯康星大学(University of Wisconsin)观察了射电波长的猎户星云(Orion Nebula):他们发现了与太阳系类似大小的放射源,可能还有气体云。燃烧从磁盘蒸发。

“提议”

光盘本身的可视化遇到了第二个观察障碍:相对较小的光盘。哈勃太空望远镜的分辨率和大型地面望远镜上自适应光学系统的发展已克服了这一障碍。 1993年,莱斯大学的罗伯特·奥德尔(Robert O’Dell)及其同事使用哈勃望远镜观察了猎户座(Orion),最后看到了拉普拉斯(Laplace)预测的盘片(见图1)。观察到它们的物质蒸发,受到强风和附近大质量恒星强烈辐射的打击。答:戴尔称这些磁盘为“ prodid”,是原行星盘或“原行星盘”的缩写。这个术语“原行星盘”颇具误导性,因为这些盘在一百万年内就已经蒸发了,很可能是在任何行星形成之前。但是,在比猎户座星云温和的环境中(O型和B型恒星较少),类似的盘确实应该生存足够长的时间才能生出行星。

现在掌握了拉普拉斯理论的现代版本的所有主要元素(旋转的云,波浪,磁盘),天文学家可以开始研究这些不同组成部分之间的关​​系。

我和我的同事们,以及由太空望远镜研究所的克里斯托弗·伯罗斯(Christopher Burrows)协调的另一个小组,将哈勃对准了Herbig-Haro 30天体,这是一对朝相反方向移动的喷射流。令我们惊讶的是,这些图像在喷流源处揭示了两个小的细长星云,它们垂直于喷流并被暗带交叉。我们看到了一个垂直于喷流的圆盘。当我们从边缘观看光盘时,中央恒星被遮住了。星云是星光照亮的尘埃云。射流从中心区域移开,并最终到达Herbig-Haro对象(见图3)。难题的各个部分开始融合在一起。

在活跃的星系中,圆盘在射流的形成中起主要作用。对于胚胎恒星,该角色是什么?一个惊人的巧合提供了基本的线索。 Herbig-Haro 30附近的所有喷射流和波浪,除了一个奇怪的例外,都具有大致相同的方向。实际上,它们与母云磁场的方向一致。这似乎证实了关于磁场如何导致年轻恒星发生质量抛射的巧妙解释。

就像北极光是带电粒子沿着地球磁场线传播并与高空大气中的原子碰撞的结果一样,来自星际圆盘的电离粒子可以将自身附着在圆盘的磁力线上。或星星。由于盘的旋转,受到离心力的颗粒将沿着磁力线投射。新鲜的材料将弥补损失,该机制将继续。大部分物质最终都会被恒星吸收,但是大约有百分之十会被弹出。在数值模拟中,该机制以突喷形式发生,这与在许多喷流中观察到的粗糙结构相对应。

含糊不清

假设射流是恒星形成的组成部分,那么一个人就可以解决许多理论难题。当它们逃逸时,粒子带走角动量,这在一定程度上解释了为什么像太阳这样的演化恒星如此缓慢地旋转。喷气机还可能搅动周围的云,从而产生必要的湍流以减缓其坍塌。

但是,仍然存在许多问题。例如,在可见域中观察到的年轻恒星中只有一半具有磁盘。其他恒星无疑拥有磁盘,但是这些磁盘本来可以给行星。观察尚不能证实这一点。恒星质量分布的问题也很难理解:为什么高质量恒星和低质量恒星之间的比例实际上在银河系中的每个地方都相同?该比例似乎源自分子云碎片化的基本性质,但出于不清楚的原因(请参阅本卷宗中安德烈博士,F。Motte和S. Bontemps的“云碎片化”)。同样,研究人员对大质量恒星的童年期知之甚少,部分原因是它们较稀少,部分原因是它们移动得更快并且很难在相位上令人惊讶。训练。

在这些限制下,自然界创造恒星的秘诀不再是天文学家的秘密。恒星形成于星际云中,这些云主要是由前几代恒星的灰烬制成的。生命的尽头,尘埃是在冷风和恒星的外部大气中产生的。这些重云的一部分也包括重金属元素,例如铁和氧,它们是在失踪恒星的核炉内部深处产生的。磁场或湍流与云的引力坍塌相反,但它们最终会在自身的重量作用下坍塌,这可能是由于磁场泄漏或湍流消散所致,或附近的超新星爆炸。当物质崩溃时,云分裂成小云,每个小云都形成一个原始的恒星系统。在巨大的分子心中,就像那些产生猎户星云团的分子一样,这些心间隔开了几个光周(而不是光年)。银河系中的大多数恒星,包括太阳,都可能在这些星团内形成。

射流释放角动量并使积聚继续。最初,我们的太阳肯定有狭窄的射流,延伸了数个光年。他们是否因为材料储备可能即将耗尽而停止了?这些喷气机中有一些被海浪冲走了吗?在这种情况下,喷气式飞机帮助限制了太阳的最终质量。大约在同一时间,大颗粒的尘埃开始粘附在一起,形成了行星状的小行星。行星小行星清除了剩余的气体,进一步耗尽了射流。太阳和时间的星星发出的海浪带走了残留的气体和尘埃,它们残留了它们之间的空间。这次离去削弱了凝聚这些恒星的引力联系,并且在几百万年之内,附近的恒星散开了。今天,距离太阳最近的恒星距离我们约有四个光年。

拉普拉斯星云假说提出两个世纪后,难题的各个部分融合在一起。对年轻恒星的研究不仅表明行星正在形成,而且行星在我们的银河系和其他地方很常见。

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