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神秘黄球和新星星的诞生有何关系?
发布人:admin 发布时间:2017/9/7 浏览次数:13203

 作者 格蕾丝·沃尔夫-蔡司、查尔斯·克尔顿(美国芝加哥阿德勒天文馆,美国爱荷华州立大学物理和天文系)

  翻译 林一平

  编辑/校对 李娟 丁家琦

  赛先生“中小学生评审”张及晨为本文提出了修订意见,并撰写了点评。

  星际介质:在星系中的恒星之间发现的弥漫的尘埃和气体。星际介质中最冷最密的地方就是可以形成恒星的地方。这些区域对可见光来说是不透明的,所以在我们星系的光学照片上呈现为暗区。

  红外光:一种波长比可见光更长的光。红外光波长较长,意味着它可以比可见光更容易穿透星际介质中的尘埃区。

  斯皮策空间望远镜:哈勃空间望远镜的小“表弟”,斯皮策包含一台直径0.85米的望远镜,外加设计用于观测红外光的仪器。它由美国航空航天局在2003年发射进入地球牵引轨道绕太阳运行。

  太阳风:从太阳上流出的高度磁化的带电粒子流,主要是质子和电子。太阳风的运动速度一般为几百千米每秒。

  原恒星:一团巨大的、球状的、正在收缩形成恒星的、聚集的气体和尘埃。原恒星的核心还没有致密和高温到足以引发核聚变反应。一旦聚变反应开始,这颗原恒星就成为了恒星。

  人人都可以参与的科学项目

  现代科学产生了大量的数据。有时候一个科学项目产生的数据量会非常庞大,以至于光是一名科学家,甚至一个科学家小团队都不能在合理的时间内处理完。在这种情况下,专业科学家会寻求热心的“公众科学家”的帮助。他们针对一个实际的科研课题设计出科学项目,借助很多人的眼睛(或耳朵)来完成项目目标,所有参与这些科学项目的人都可以被称为“公众科学家”(citizen scientist)。目前,在宇宙动物园网站上[1],已汇集了三十多个科学项目,共有130万公众科学家参与,这其中就包括“银河计划”,公众科学家可以通过该项目帮助研究我们的星系中的恒星形成。

  美丽无边的银河系

  太阳属于银河系,这是一个非常大的恒星团体。银河系形状扁平,像一个巨大的盘子。如果你在很暗的地方仰望过夜空,你也许会留意到一条横贯天空的明亮光带(见图1),这条光带就是由位于银河系的银盘上的大量恒星组成的。大部分恒星对人眼来说都过于暗弱,无法单个地分辨出来。在地球上最黑暗的地方,你也许能够看到几千颗恒星,在小镇上,你也许可以看到几百颗,在大城市里也许只能看到几十颗。实际上,我们的星系里有几千亿颗恒星(千亿=100,000,000,000),但即使你用最强大的望远镜也只能看到其中的一小部分,这是因为星际介质,或者说是恒星之间的空间,包含了大量的气体星云和尘埃云。最冷和最密的星云会挡住其内部和后面的恒星的星光。



  图1.银河。天文学家约瑟·弗朗西斯科·萨尔加多于2010年5月20日在美国加州雪松平原拍摄了这张银河系中心的照片。照片下方是由23面射电望远镜组成的毫米波天文研究组合阵列(CARMA)。(来源:美国芝加哥阿德勒天文馆)

  隐藏的恒星诞生地

  恒星诞生于星际介质中最致密、尘埃最多的区域,这个区域无法用一般望远镜来进行研究。幸好,红外光可以通过星际介质中的尘埃区域,在最近几十年里,天文学家们研制出了对红外光敏感的望远镜和探测器,来探测较冷的天体、窥探星云内部、研究恒星如何诞生。恒星诞生初期,新恒星温度过低,不能发出可见光,在红外波段却可以明亮地闪耀。随着恒星的形成,它释放更多的热,在可见光波段越来越亮。不过,这些可见光被周围星云的尘埃所吸收,无法离开星云,只有红外光可以穿过星云,并且会使周围的尘埃也变热,使得它们在红外波段也变得明亮。因此,可以使用红外光来研究形成中的恒星和它的周边环境[2]。

  图2展示了银河系的一部分的红外图像。你在看到它的时候可能会想,既然这些光线人眼都看不到,又如何把它们制作成图像呢?很简单,使用威力强大的计算机程序,就能将红外颜色转换成可见光的颜色(通常是蓝绿红)。不同颜色的光代表不同组成成分的天体及其物理状态(比如温度)的信息。在图2的红外图像中,每个蓝点代表一颗恒星,由特定类型的气体分子和尘埃组成的星云则显示为绿色和红色。当两种或者更多的颜色在图像中叠加就得到不同的色彩。比如,绿色叠加上红色可以成为黄色(见图2中的小插图)。



  图2.红外视角下的银河。这张图朝向银河星系中心的那部分,使用蓝绿红分别表现斯皮策空间望远镜捕捉到的红外光。其他颜色是这三种颜色的叠加(见左下小图)。(来源:美国航空航天局、加州理工喷气动力实验室、威斯康星大学)

  “银河计划”的主要目标,就是处理斯皮策空间望远镜拍摄的红外图像。科学家们创立这一计划项目是为了获得普通大众的帮助,以对成千上万的红外图像中揭示的信息进行分类和研究。公众科学家按照指示检视图像,帮助专业科学家完成研究目标。

  惊人的发现

  我们要求公众科学家寻找的图像特征就如同你在图3最右图中所看到的一样[3]:有着绿色边缘的红色圆(或者椭圆)。红色主要代表细小的尘埃颗粒,绿色主要代表由很多氢原子和碳原子组成的温暖的气体。就像一个三维空间中的球在二维图像中看起来是个圆一样,在二维图像上,红绿色的特征看起来像是圆圈,而实际上在三维空间中,这些圆圈更像是“泡泡”。

  图3. 一个“泡泡”的演化。图中从左到右依次阐释了围绕年轻大质量恒星的“泡泡”的演化阶段。中间图展示了由公众科学家发现的“神秘黄球”阶段(来源:美国航空航天局、加州理工喷气动力实验室)

  这些“泡泡”是由大质量(比太阳质量大约十倍以上)的年轻恒星辐射产生。来自恒星的“风”则把周围的星云“吹开”。这种“风”并不像人们在地球上体验到的风,而是微小带电粒子组成的流,就像由电子和质子组成的太阳风一样。“泡泡”内的气体被年轻的恒星加热到极高的温度,气体的分子结构被破坏,只有一些尘埃粒子幸存下来。这就是为何图像中泡泡内部是红色的,而有分子幸存的边缘则是绿色的。

  虽然“银河计划”中的公众科学家搜寻的是泡泡的图像,但是他们注意到很多图像上都有小的、近圆形的黄色物体,它们是什么呢?科学家让公众科学家继续做标记,搜寻更多样本,以对其做进一步研究。因为图像中的黄色是红色和绿色的叠加,科学家猜测这种被称之为“神秘黄球”的物体,可能是大泡泡“更年轻时”的样子,那时候年轻恒星附近的多数气体分子还没有被破坏[4]。



  图3左侧两张图展示了泡泡演化的早期阶段。最左图中长长的暗区域是非常冷的星云,冷到红外望远镜都探测不到。在一部分这类星云中,引力强到可以把冷气体和尘埃拉到一起形成新的恒星。暗区域中的红点表示原恒星正开始加热尘埃的区域。原恒星就像是婴儿恒星,随着周围物质被引力拽到一起,它不断继续长大。这种婴儿阶段大概会持续1万年。当原恒星足够热之后,围绕它们的物质开始膨胀,尘埃和气体分子都开始发出红外光,制造出一个黄球(见图3中间的小图),大概能持续10万年。大部分黄球比太阳系大,但是比太阳到最近的其他恒星之间的距离要小,每个黄球可能会产生几十个甚至几百个恒星。

  大约百万年以后,黄球会变成图三右图所示的成熟的泡泡。几百万年之后,泡泡自身也会消失,成为一般的星际介质,留下新形成的恒星,成为银河系银盘的一部分。

  点缀在星云中的几百颗恒星

  天文学家和业余天文爱好者最爱的猎户星云,是银河系中离我们最近的大质量恒星形成地,它向我们展现了一个泡泡在几百万年之后会是什么样子。在夜晚,猎户星云可以产生可见光,你是否用小望远镜或者双筒望远镜仰望过它?在这片星云中,有为星云提供动力的几颗大质量恒星,有带着较冷物质盘并可能形成行星的几百颗小恒星(与太阳相当),还有更大质量的恒星。图4显示了哈勃空间望远镜拍摄的猎户星云[5],其中包括目前正在形成的行星系统的放大图。

  我们有理由相信,约50亿年前,在类似猎户星云的环境中诞生了太阳系,搞清楚泡泡如何演化,将帮助我们理解当年地球是在什么条件下形成的。



  图4.猎户座大星云中正在形成的行星系统。该图由哈勃空间望远镜拍摄的猎户星云的可见光图像构成。每张放大图展现一个正在该星云内形成的行星系统。最上方的放大图中的行星系统约为太阳系大小(约60亿英里=约97亿公里),整个星云有若干光年大小(一光年约为6,000,000,000,000英里=6万亿英里=9.7万亿公里),距离太阳约1500光年。(图片来源:美国航空航天局、欧洲空间局、M. 罗伯托(空间望远镜科学研究所/欧洲空间局、哈勃猎户宝藏项目组、L. 里奇(欧洲南方天文台))

  是“尤里卡!”还是“那很有趣”?

  找到反映重要特征的最佳红外色彩组合,是研究星团演化最早阶段的关键。如果使用另外一套红外色彩,黄球可能就不醒目了。天文学家总是想要尽可能多的看到不同颜色的光,但仪器不可能面面俱到。在建造天文仪器之前,科学家们需要思考什么样的仪器才能获取更多信息,以便更多地了解目标天体。斯皮策空间望远镜图片上的红外色彩被选来考察泡泡这样的特征,但科学家当时并不知道这种色彩能将年轻的黄球阶段呈现得这么好!

  艾萨克·阿西莫夫(Isaac Asimov)是二十世纪著名科幻小说作家,他曾说:科学中可以听到的最激动人心的短语、新发现即将来临的预示,不是“尤里卡!”(古希腊语“找到了”的意思,出自阿基米德发现浮力定律的故事,译者注)而是“那很有趣”。感谢公众科学家的好奇心,包括第一位觉得“那很有趣”并把关于黄球的想法与他人分享的人,现在这类研究对象已多达1000个。根据这个目录,天文学家可以进行下一步观测计划,揭示黄球演化成为恒星“托儿所”的过程,以及像地球这样的行星是如何诞生的。

  参考文献:

  [1] Zooniverse. 2015. Available at: www.zooniverse.org

  [2] Cool Cosmos. 2015. Available at: http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/

  [3] Simpson, R. J., Povich, M. S., Kendrew, S., Lintott, C. J., Bressert, E., Arvidsson, K., et al. 2012. The milky way project first data release: a bubblier galactic disk. Mon. Not. R. Astron. Soc. 424:2442–60. doi:10.1111/j.1365-2966.2012.20770.x.

  [4] Kerton, C. R., Wolf-Chase, G., Arvidsson, K., Lintott, C. J., and Simpson, R. J. 2015. The milky way project: what are yellowballs? Astrophys. J. 799:153–61. doi:10.1088/0004-637X/799/2/153.

  [5] O’Dell, C. R., Wen, Z., and Hu, X. 1993. Discovery of new objects in the Orion nebula on HST images – shocks, compact sources, and protoplanetary disks. Astrophys. J. 410:696–700. doi:10.1086/172786.

  Frontiers for Young Minds青少年评审:

  弗里达(16岁)

  你好,我是弗里达,我是芝加哥阿德勒天文馆的一名艺术家和实习生。

  泰勒(16岁)

  我是泰勒,我是阿德勒天文馆的一名公众科学实习生。我将成为莱恩技术学院预科高中三年级学生。

  赛先生青少年评审:

  张及晨(17岁,来自北京一零一中学,高二学生)

  简介:从小热爱科学探索,尤其对天文学科有浓厚的兴趣,曾参加过8年全国中学生天文奥赛并多次获得金牌,三次入选中国国家队,代表国家参加多项国际学科奥林匹克竞赛并均获奖牌,现为北京市中学生天文联盟主席,入选“英才计划”在清华大学物理系天体物理中心学习天文科研,研究成果论文已在国内外学术论坛赛事上获奖。

  点评:

  本文介绍了一个由公众科学家参与的研究工作。最近,AlphaGo横扫围棋世界冠军的新闻,关于人工智能(AI)的议论甚至是“恐慌”又出现了高潮。然而,尽管计算机技术不断提高,在科研中依旧有很多工作程序无法替代人类,例如本文提到的对于图像信息的识别。随着大数据时代的来临,越来越多的数据需要靠大量的公众科学家们来高效处理,这种项目也是个科普的好途径。读者们也可以尝试参与一些,或许未来的某个诺贝尔奖获奖研究里,就有你的微小的贡献。

  本文译自Frontiers for Young Minds网站。

  原文标题:What do "yellowballs" have to do with the birth of new stars?

  原文链接:http://kids.frontiersin.org/article/10.3389/frym.2015.00016

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    (来源:赛先生)

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