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2015年4月1日

中大天文學家揭示巨型恆星誕生之奧秘

2015年4月1日
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中大物理系李華白教授及其研究小組花了近十年時間, 揭示巨型恆星誕生之奧秘。

NGC6334貓掌星雲。(圖片來源:Sarah Willis,哈佛-史密松天體物理中心)

中大研究組員(由左至右):張雅芃、梁寶建、阮家威、鄧國燊、李華白、袁嘉豪、Frank Otto、継偉光, 劉偉靖、羅至恩、李金茂、劉俊偉、林嘉豪

香港中文大學物理系李華白教授及其研究小組花了近十年時間,研究及觀察形成巨型星體之星雲,首次揭示星雲中的磁場(magnetic fields)對星體的形成有不可或缺的影響。有關研究結果獲著名國際科學雜誌《自然》刊登,預計此研究成果將顛覆天文學界一貫以來有關星體形成之理。 

美國天文學家薩根曾言:「萬物皆自星塵」,因為構成天地人之物質(原子)都源自星體的殘骸。過去一個世紀,科學家對星體的生命周期的認識──由新星體至星體死亡(如白矮星、中子星及黑洞等)──突飛猛進,但對星體的形成之理仍然一知半解。李教授及其研究小組竭力尋找有關答案,終有小成。 

恆星形成未解之謎 

巨型恆星的質量比太陽的質量大十倍以上,其質量之巨令其迅速燃燒,最後化作中子星或黑洞結束短暫一生。由於它們距離地球非常遙遠,難以觀察,因此其形成過程仍然是個謎。德國哲學家康德(Immanuel Kant)曾在1755年提出,大片雲氣團因重力(gravity)而塌縮之後會形成恆星(德原文:Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels)。200年後,在太空的大型分子雲團中確實發現大量年輕的恆星,其成份主要是氫氣,其質量可相當於一百萬個太陽。巨型恆星通常成群誕生,令人不解的是,分子雲團中只有少於10%的質量會轉化成恆星。由此推測,恆星形成過程中除了造成塌縮的重力,必定還有其他力量與之抗衡抵銷,限制分子雲轉化成恆星,造成現時所見的恆星質量分佈。長久以來,天文學家對於磁場是否為此抗衡之力爭辯已久,而直接測量分子雲中的磁場強度亦極之困難。 

與地球相距約5,500光年、位於天蠍座之處,是最接近地球的巨型星雲,名為NGC6334,又稱為貓掌星雲(Cat’s Paw Nebula)。李教授及其團隊花了近十年時間,收集該星雲的數據並致力繪製磁場的形態,以研究星雲的形成、分裂及星雲核心(星體孕育之處)的形成。 

磁場在恆星形成中的重要角色 

李教授指出:「不論尺度的大小,NGC 6334之磁場方向均近乎不變,意味星雲自身的重力及湍流均未能有效改變磁場方向。相反地,塌縮的重力及湍流速度卻因強磁場而不對稱。簡而言之,磁場不論對星雲形成、碎裂及核心形成都有關鍵的影響。主流的假設認為湍流是影響恆星形成的單一主要因素,與我們的研究結果大相逕庭。」 

來自Harvard-Smithsonian Center的研究合作者Dr. TK Sridharan表示:「在不同尺度下觀測單一星雲令此次研究結果更有啟發性。在相差1000倍的尺度下,我們能夠同時觀測磁場方向和磁力線結構,並得知前兩者與分子雲碎裂的關係。」台灣中央研究院天文研究所的呂浩宇博士,也是此次研究的合作者表示:「要製作跨度如此之廣的全面圖像需要堅強的信念和無盡的精力。」 

測量磁場的強弱看似易如反掌,實則難比登天。李教授等人另闢新徑,建立一個創新的簡易磁量估算法。參與此研究的中大研究院一年級生、楊振寧獎學金得獎者袁嘉豪表示:「因氣體收縮極不均勻,垂直於平均磁場方向之重力和磁張力必需接近平衡。」另一重要成員,德藉博士後研究員Dr. Frank Otto利用電腦模擬技術成功證明以上假設。要證明磁場動態對星體形成的重要性,磁場強度如何隨星雲密度改變是一個重要指標。是次研究結果首次顯示,形成巨型恆星的星雲中,磁場約與星雲密度的0.4次方成正比,進一步證實星雲塌縮和分裂是由磁場控制。 

《自然》期刊評審員指出:「以往恆星形成的理論模擬 (theoretical simulations)中常常忽略了磁場,本研究結果卻證明磁場於各尺度下對星雲的塌縮有關鍵的影響,是一項非常重要的發現。」 

論文全文刊載於以下連結:
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature14291.html

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中大物理系李華白教授及其研究小組花了近十年時間, 揭示巨型恆星誕生之奧秘。

 

NGC6334貓掌星雲。(圖片來源:Sarah Willis,哈佛-史密松天體物理中心)

 

中大研究組員(由左至右):張雅芃、梁寶建、阮家威、鄧國燊、李華白、袁嘉豪、Frank Otto、継偉光, 劉偉靖、羅至恩、李金茂、劉俊偉、林嘉豪