恒星

为恒星的种子；在我们的图景中，气体核变成了恒星，”加州大学伯克利分校的物理学和天文学教授克里斯·麦基（Chris McKee）解释说。“目前主要专注于低质量恒星形成区域的观测与我们的模型是一致的，与他们的模型相矛盾。” “竞争吸积在欧洲是恒星形成的一个流行理论，现在我们认为它是个错误的理论，”理查德·克莱因补充说，他是加州大学伯克利分校的天文学兼职教授，也是LLNL的一位研究员。普林斯顿大学的博士后马克·克鲁姆霍兹（Mark R. Krumholz），麦基和克莱因在11月17日的《自然（Nature）》杂志上报告了他们的发现。两个理论都试图解释恒星是如何从跨越大约100光年，包含了100,000倍太阳质量的寒冷分子氢云中形成的。这样的气体云已经被哈勃（Hubble）和斯必泽（Spitzer）太空望远镜拍摄了下来，但气体云坍缩成一颗或者多颗恒星的动力学过程还远没有弄清楚。恒星形成理论对于理解星系和星系团的形成是至关重要的，麦基说。 “恒星形成是非常庞大的问题，涉及到众多问题，比如类似太阳的恒星是如何形成，为什么非常大量的恒星位于双星系统之中，以及十到一百倍太阳质量的恒星是如何产生的，”他说。“质量较大的恒星是重要的，因为当它们-成为超新星的时候，它们会产生出我们所看到的大部分重元素。” 竞争吸积模型是在上世纪90年代末被提出的，因为引力坍缩模型似乎无法解释大质量恒星的形成过程。特别是，理论无法解释为什么大型原恒星发出的强烈辐射没有将恒星的外层吹散，没能阻止它成长得更大，尽管天文学家们已经发现了质量是太阳100倍的恒星。就在理论学家们，包括麦基、克莱因和克鲁姆霍兹在内，已经将引力坍缩理论向着解释这个问题又推进一步的同时，竞争吸积理论与观测之间的矛盾也日益严重起来。比如，吸积理论预言，褐矮星，那些流产的恒星，是被抛出团块的气体核所形成的，因此失去了它们周围的尘埃气体盘。然而在过去的几年间，已经有许多拥有行星盘的褐矮星被发现了。 “竞争吸积理论忽略了这些观测，”克莱因说。“任何理论的最终检验都是，它能与观测符合得多好，而引力坍缩理论似乎是明显的赢家。” 克鲁姆霍兹、麦基和克莱因所使用的是一个复杂的气体动力学超级计算机模拟程序，他们模拟了一团旋转的狂暴氢分子云中的气体转变为恒星的过程。这项研究第一次将湍流的效果考虑了进来。利用圣地亚哥超级计算机中心的256颗并行处理器，他们将程序运行了将近两个星期，准确地再现出恒星形成的动力学过程。 “整整六个月时间，我们利用非常非常精细的高分辨率模拟来发展这套理论，”克莱因说。“然后，有了这套理论在手，我们将它应用到恒星形成区域之中，它们的性质可以从（观测到的）一个恒星形成区域中取得。” 这些同样在劳伦斯伯克利国家实验室和LLNL的超级计算机上运行的模型表明，气体核内部和团块周围的湍流会阻止吸积向一颗原恒星上补充更多的质量。 “我们已经证明，因为湍流，一颗恒星无法有效地从周围的团块中吸积更多的质量，”克莱因说。“在我们的理论中，一旦核心坍缩和分裂开始发生，这颗恒星基本上就拥有了它以后将会拥有的所有质量。如果它生来就是个低质量的气体核，它就会形成一颗低质量的恒星。如果生来就是一个高质量的核心，它可能就会成为一颗大质量恒星。” 麦基指出，研究者们的超级计算模拟表明，竞争吸积在几乎不存在湍流的小气体云中也许是行之有效的，但它们极少发生，如此确实发生过的话，而且目前还没有被观测到过。真实在恒星形成区域比吸积模型所假设的要湍急得多，湍流并不会像模型所假设的那样迅速消散。一些未知的过程，也许是原恒星的物质外流，一直在搅动着气体，使得气体核不会迅速坍缩。 “湍流对抗着重力；没有它，一团分子云坍缩的速度会比观测到的迅速得多，”克莱因说。“两个理论都假设湍流是存在的。关键是，在恒星开始形成的时候，一些机制在起着作用，保持了湍流的活力，阻止了它的衰减。竞争吸积模型没有任何办法能够将一点考虑在内，这意味着它们无法模拟真实的恒星形成区域。” 克莱因、麦基和克鲁姆霍兹继续修正了他们的模型，解释了大型原恒星的辐射是如何逃逸，而又没有将下落的气体全部吹散的原因。比如，他们已经证明，一部分辐射可以通过喷流所打开的洞穴而逃逸出去，这些喷流是从正在形成的恒星两极所射出的，已经被许多观测所证实。这个理论的许多预言也许会被新的、更大的、现在正在建造中的望远镜所证实，特别是由美国、欧洲和日本天文学家们共同合作，目前正在智利兴建的高灵敏度和高分辨率的ALMA望远镜，麦基说。这项研究是由美国国家航空航天局（NASA）、美国国家科学基金会、以及美国能源部所支持的。
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