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2015年4月1日

中大天文学家揭示巨型恒星诞生之奥秘

2015年4月1日
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中大物理系李华白教授及其研究小组花了近十年时间, 揭示巨型恒星诞生之奥秘。

NGC6334猫掌星云。(图片来源:Sarah Willis,哈佛-史密松天体物理中心)

中大研究组员(由左至右):张雅芃、梁宝建、阮家威、邓国燊、李华白、袁嘉豪、Frank Otto、继伟光, 刘伟靖、罗至恩、李金茂、刘俊伟、林嘉豪

香港中文大学物理系李华白教授及其研究小组花了近十年时间,研究及观察形成巨型星体之星云,首次揭示星云中的磁场(magnetic fields)对星体的形成有不可或缺的影响。有关研究结果获著名国际科学杂志《自然》刊登,预计此研究成果将颠覆天文学界一贯以来有关星体形成之理。 

美国天文学家萨根曾言:「万物皆自星尘」,因为构成天地人之物质(原子)都源自星体的残骸。过去一个世纪,科学家对星体的生命周期的认识──由新星体至星体死亡(如白矮星、中子星及黑洞等)──突飞猛进,但对星体的形成之理仍然一知半解。李教授及其研究小组竭力寻找有关答案,终有小成。 

恒星形成未解之谜 

巨型恒星的质量比太阳的质量大十倍以上,其质量之巨令其迅速燃烧,最后化作中子星或黑洞结束短暂一生。由于它们距离地球非常遥远,难以观察,因此其形成过程仍然是个谜。德国哲学家康德(Immanuel Kant)曾在1755年提出,大片云气团因重力(gravity)而塌缩之后会形成恒星(德原文:Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels)。200年后,在太空的大型分子云团中确实发现大量年轻的恒星,其成份主要是氢气,其质量可相当于一百万个太阳。巨型恒星通常成群诞生,令人不解的是,分子云团中只有少于10%的质量会转化成恒星。由此推测,恒星形成过程中除了造成塌缩的重力,必定还有其他力量与之抗衡抵销,限制分子云转化成恒星,造成现时所见的恒星质量分布。长久以来,天文学家对于磁场是否为此抗衡之力争辩已久,而直接测量分子云中的磁场强度亦极之困难。 

与地球相距约5,500光年、位于天蝎座之处,是最接近地球的巨型星云,名为NGC6334,又称为猫掌星云(Cat’s Paw Nebula)。李教授及其团队花了近十年时间,收集该星云的数据并致力绘制磁场的形态,以研究星云的形成、分裂及星云核心(星体孕育之处)的形成。 

磁场在恒星形成中的重要角色 

李教授指出:「不论尺度的大小,NGC 6334之磁场方向均近乎不变,意味星云自身的重力及湍流均未能有效改变磁场方向。相反地,塌缩的重力及湍流速度却因强磁场而不对称。简而言之,磁场不论对星云形成、碎裂及核心形成都有关键的影响。主流的假设认为湍流是影响恒星形成的单一主要因素,与我们的研究结果大相迳庭。」 

来自Harvard-Smithsonian Center的研究合作者Dr. TK Sridharan表示:「在不同尺度下观测单一星云令此次研究结果更有启发性。在相差1000倍的尺度下,我们能够同时观测磁场方向和磁力线结构,并得知前两者与分子云碎裂的关系。」台湾中央研究院天文研究所的吕浩宇博士,也是此次研究的合作者表示:「要制作跨度如此之广的全面图像需要坚强的信念和无尽的精力。」 

测量磁场的强弱看似易如反掌,实则难比登天。李教授等人另辟新径,建立一个创新的简易磁量估算法。参与此研究的中大研究院一年级生、杨振宁奖学金得奖者袁嘉豪表示:「因气体收缩极不均匀,垂直于平均磁场方向之重力和磁张力必需接近平衡。」另一重要成员,德藉博士后研究员Dr. Frank Otto利用电脑模拟技术成功证明以上假设。要证明磁场动态对星体形成的重要性,磁场强度如何随星云密度改变是一个重要指标。是次研究结果首次显示,形成巨型恒星的星云中,磁场约与星云密度的0.4次方成正比,进一步证实星云塌缩和分裂是由磁场控制。 

《自然》期刊评审员指出:「以往恒星形成的理论模拟 (theoretical simulations)中常常忽略了磁场,本研究结果却证明磁场于各尺度下对星云的塌缩有关键的影响,是一项非常重要的发现。」 

论文全文刊载于以下连结:
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature14291.html

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中大物理系李华白教授及其研究小组花了近十年时间, 揭示巨型恒星诞生之奥秘。

 

NGC6334猫掌星云。(图片来源:Sarah Willis,哈佛-史密松天体物理中心)

 

中大研究组员(由左至右):张雅芃、梁宝建、阮家威、邓国燊、李华白、袁嘉豪、Frank Otto、继伟光, 刘伟靖、罗至恩、李金茂、刘俊伟、林嘉豪