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Adam Frank 文 Shea 编译

多亏了杰伊·麦克尼尔的发现,天文学家现如今才有机会搞清楚年轻恒星X射线爆发的成因。在恒星物理学中有一个挥之不去的问题。年轻的恒星会发出明亮的X射线,但是没有人知道原因。在把人造卫星送上天捕捉天体的X射线辐射数十年之后,天文学家们已经知道恒星形成和X射线之间有着紧密的关联。然而,它们是如何以及为什么“走”到一起的?X射线又能告诉我们些什么有关恒星形成的信息?这些问题的答案仍然未知。

转机降临在了2004年1月的一个晚上。是夜一个名叫杰伊·麦克尼尔(Jay McNeil)的天文爱好者将他的7.6厘米折射望远镜对准了猎户座中的一个模糊区域。正是他所看到的东西使得发现的车轮向前推进并且彻底改变了有关恒星形成和X射线的争论。麦克尼尔所发现的东西对于天文学家们来说也都是第一次看到。

幸运的突破

这是美国肯塔基州帕迪尤卡一个寒风凛冽的夜晚(但,幸运的是,天空晴朗),杰伊·麦克尼尔迈步走向其10米远的后院天文台。做为卫星天线安装工的他也是一个资深的天文爱好者,他会定期地对天空中的不同区域进行拍照。“我当时正在试用一架新的小望远镜,”6个月后麦克尼尔在接受美国全国公共广播电台的采访时说,“由于天太冷,因此我快速地在猎户座中拍摄了几张照片就回屋了。在接下去的几天里我也没回去处理这些照片。”

三天后当他重拾这些照片的时候,他在反射星云M78附近发现到了一些东西。“起初我想它可能是出现在图像某一帧上的奇特反光,”他说,“但在我处理完所有的图像之后,我看到的则是一个非常特别但却实实在在的东西。”

随后麦克尼尔立马上网把他的发现和已有的数据进行比对。他检索了猎户座中这一区域里所有天体的位置数据,但是没有找到。一周之后,他向国际天文学联合会(IAU)发出了一份电报,公布这一发现。

“你应该看看这个!”迈克尔·里奇蒙德(Michael Richmond)冲进乔尔·卡斯特纳(Joel Kastner)的办公室对他说。里奇蒙德和卡斯特纳是美国纽约罗彻斯特理工学院的天文学家。里奇蒙德偶然间在互联网上看到了麦克尼尔的发现和他所拍摄的照相。他知道这是一样能激起卡斯特纳这样一位恒星形成专家兴趣的东西。卡斯特纳的反应果然没有让他失望。

一个星云的诞生

在IAU公布了杰伊·麦克尼尔的电报之后,专业天文学家也将他们的大型望远镜对准了这一天区。在那里他们发现了一片锥形的气体、尘埃云,而照亮这一星云的正是位于其顶端的一颗年轻恒星。这一星云现在被命名为“麦克尼尔星云”。当来自恒星的光线照射到气体和尘埃的时候,它就能被看到了。

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[图片说明]:欧洲南方天文台拍摄的麦克尼尔星云。版权:ESO。天文学家很快意识到,这一明亮的反射星云几年前并不存在。他们过去曾拍摄到过位于这一星云底部的恒星猎户V1647的照片,但当时它很暗弱。现在这颗恒星突然爆发,在几个月的时间里亮度增加了50倍。

对于里奇蒙德和卡斯特纳来说,这是一座潜在的金矿。他们知道这一爆发被认为是恒星形成过程中的一个关键阶段。同时他们还知道这样的爆发非常罕见。

天文学家只捕捉到过几个进行中的恒星爆发,而且每个都出现在现代望远镜和空间天文台问世之前。对于卡斯特纳这样一个年轻恒星X射线辐射领域的专家来说,猎户V1647的爆发正是一个千载难逢的机遇。理论家们对于年轻恒星的爆发已经有了一个大致的想法,但是对其中的细节还存有争议。麦克尼尔星云能解开这个谜题吗?

造一颗恒星

恒星是通过被称为“吸积”的过程而形成的。整个过程始于夹杂着磁场的巨大气体、尘埃云。通常,被称为“云核”的一小部分星云会在自身的引力下坍缩。于是云核中的物质就会掉向中心,新生恒星的种子就此形成。

恒星核开始时都会有一定的自转,这是因为其母星云中包含有湍流、翻滚运动。就像旋转的花样滑冰运动员收回她的手臂一样,当恒星核收缩的时候其中的气体就会越转越快。最终这些气体会形成一个围绕原恒星转动的盘。

这个盘会成为恒星生长的调节器。为了抵达恒星,气体必须先穿过这个“吸积盘”,然后才能落到恒星表面。天文学家已经研究了这些盘的性质,以此来了解它们的工作机理。此外,这些盘还会孕育行星,这也使得它们在天文学中变得尤为重要。

Processed with MaxIm DL[图片说明]:麦克尼尔星云。版权:NSF/NOAO/KPNO/A.Block等人。

物质流

至今尚无人清楚的一件事情是,是什么控制着穿过吸积盘的物质流。这一物质流是稳定的吗?换句话说,气体是以不变的速率落入恒星的吗?或者物质流是不规则的,有大块的物质会一下子全掉到年轻的恒星上?

天文学家怀疑,磁场在影响吸积的过程中起到了巨大的作用。年轻恒星的磁场非常强大,它可以把吸积盘推开。这就会在恒星和吸积盘的内边缘之间形成缝隙。于是,盘中高温的电离物质不得不借助磁力线越过这一缝隙之后才能到达恒星表面。

科学家已经研究出了许多数学模型来描述磁场是如何控制吸积盘和恒星之间的物质流动的。通过盘所进行的吸积的稳定性和磁场在吸积中所扮演的角色都是恒星形成研究中的重大课题。而天文学家们所缺乏的正是一个能够显示吸积是如何在真实的盘中所进行的观测实例。

1973年当暗弱的猎户FU在200天里从16等增亮100倍的时候,天文学家们发现了一些早期的线索。现在已经清楚,猎户FU是一类亮度突然增大、随后花几十年的时间重回原来亮度的恒星。随后,天文学家们开始怀疑,每一次猎户FU爆发事件都是由于吸积盘中的物质流快速增加所导致的。当物质落向恒星的时候,它会以光的形式释放出引力能。

更重要的是,猎户FU爆发事件证明通过盘所进行的吸积可以是不稳定的。一些天文学家猜想,重复出现的猎户FU爆发事件可能代表着恒星形成的一个关键阶段。问题是,天文学家只观测到了为数不多的几颗猎户FU型恒星——而且通常都是在爆发开始之后、当它们的能量输出已经下降之时才发现的。虽然天文学家已经观测到了许多持续时间较短或者规模较小的类猎户FU爆发现象,但最近一次完全的猎户FU爆发事件还得要追溯到20世纪70年代。

McNeil3[图片说明]:麦克尼尔星云所在天区的可见光(左上,即图2)和X射线(右下)波段图像比较。钱德拉X射线天文台在这一天区探测到了的4个点状X射线源。其中点源3正是爆发并且照亮麦克尼尔星云的猎户V1647。版权:X射线波段:NASA/CXC/RIT/J.Kastner等人;光学波段:NSF/NOAO/KPNO/A.Block等人。

X射线眼

但从那个年代至今,观测技术已经取得了突飞猛进的发展。事实上,卡斯特纳把他大部分的职业生涯都投入到了位列这些巨大进展之一的钱德拉X射线天文台的身上。因此当里奇蒙德带着麦克尼尔星云的消息冲入他办公室的时候,他立刻想到了“钱德拉”。

在过去的十几年中,卡斯特纳一直在研究年轻恒星所发出的X射线,因此他深知其中的争议。争论的关键并不仅仅在于X射线,还事关恒星形成过程中无处不在的磁场。

“在天文学中磁场和X射线总是联系在一块儿的,”卡斯特纳说。当科学家第一次把X射线照相机送入足够高的高空之后,他们看到的第一样东西就是太阳和它的日冕。

太阳具有一个强大的磁场,被称为“太阳耀斑”的巨大等离子体爆发会形成X射线暴。“当我们使用‘钱德拉’这样的望远镜观测年轻恒星的时候,也能看到明亮的X射线,”卡斯特纳解释说,“对于天文学家来说,太阳上磁场和X射线之间的联系极具说服力,因此大家都有一个普遍的信念,那就是年轻的恒星也可以通过星冕中的爆发来产生X射线。”

由于年轻的恒星应该比太阳自转得快,于是它们就会拥有更强大的磁场,由此许多天文学家相信它们应该会是更为明亮的X射线源。但卡斯特纳从来没有完全接受这一观点。多年来,他一直在寻找X射线和年轻恒星之间不同的关联。“我们知道吸积是通过盘进行的,而我们也知道恒星的磁场会把盘推开,”他说。

这暗示着恒星的磁场多多少少也会调控吸积。卡斯特纳说:“对我来说,年轻恒星的X射线也应该和它们的吸积有关,而不仅仅来自星冕。”通过吸积盘,磁场可以控制到达恒星表面的物质流,而在物质下落到恒星表面的时候就会产生X射线。

有了这样一幅天文图像,发现麦克尼尔星云的这一新闻把卡斯特纳带入了一个核心问题:如果由于吸积麦克尼尔星云中央的恒星出现了增亮,那么它在X射线波段是不是也是如此?卡斯特纳知道,如果这颗恒星也确实发出X射线的话,它就将成为证明吸积和X射线之间联系的关键性证据。搞清楚这个问题的唯一办法就是获得“钱德拉”的观测时间,而且要快。

McNeil4[图片说明]:GOES-13卫星在2006年12月5日观测到的一个强太阳X射线耀斑。鉴于已近中年的太阳都能产生如此强的X射线爆发,天文学家们普遍相信年轻恒星的X射线辐射也来自于其星冕的活动。版权:NOAA。

联合观测

卡斯特纳、里奇蒙德和他们的合作者、来自美国范德堡大学的戴维·温劳布(David Weintraub)无法通过常规的手段来申请“钱德拉”的观测时间,因为这要花上几个月的时间。他们必须在麦克尼尔星云仍处于爆发阶段时对其进行观测。幸运的是,他们争取到了为类似猎户V1647的爆发这样不可预见的事件所预留的观测时间。

就在“钱德拉”将要完成它的观测前,卡斯特纳收到了一封来自法国天体物理实验室的天文学家尼古拉斯·格罗索(Nicolas Grosso)的电子邮件。他刚刚获得了欧洲的牛顿X射线多镜面望远镜对麦克尼尔星云的观测时间。“钱德拉”和“牛顿”在观测上各具特色,前者拥有更高的空间分辨率,后者则能获得更好的X射线光谱。

卡斯特纳和格罗索决定联合起来,成立一个小组来进行X射线观测并且对结果进行解释。当卡斯特纳和他的小组仔细查看“钱德拉”所获得数据时,他们发现这颗恒星在X射线波段的爆发就如同在其他波段上的一样。“它几乎已经成为了其所在天区中第二亮的可探测X射线源,”卡斯特纳解释说,“我们看到它的亮度增强了50倍。”

不久这个小组也拿到了“牛顿”的数据。当他们画出随时间变化的X射线亮度曲线的时候,它的形状和其他波段的亮度变化完全相符。这说明X射线和吸积确实是紧密相关的。

McNeil5[图片说明]:在通常情况下(上图),吸积盘的等离子体会沿着恒星的磁力线落向恒星,产生相对稳定的紫外、可见光以及可能的X射线辐射。但是在爆发阶段(下图),吸积盘的内壁变得更为靠近恒星,打乱了原先位于恒星和吸积盘之间的规则磁场,大量的物质会掉入恒星,在从红外到X射线的大范围波段上使得恒星急剧增亮。版权:Roen Kelly/Astronomy。

澄清真相

在作为少数派认为是吸积导致了原恒星发出X射线多年之后,卡斯特纳感觉他的观点得到了证明。“起初我认为这就是我们所需的所有证据——无须多说什么了,”卡斯特纳回忆道,“但后来我意识到,这太幼稚了。”

科学其实一个保守的行业。有证据显示星冕磁场的活动导致了年轻恒星发出X射线,因此卡斯特纳及其合作者不想做出没有根据的论断。卡斯特纳说;“大多数人还没有准备好改旗易帜。”

接下去的就是这个小组向世界顶级的《自然》杂志撰文投稿,期间也经历了通过电子邮件所进行的漫长妥协过程。卡斯特纳的小组确保了他们的结论只涉及到观测数据所支持的那一部分。“为此我们花了一些功夫来说服小组里的所有人,”卡斯特纳说,“最后我们所说的是,观测结果显示吸积可以增强X射线。我们并没有说它是X射线的唯一来源。”这篇措辞谨慎的文章随后被《自然》杂志接收发表。

现在理论天体物理学家的要务是了解到底是什么产生了X射线。最有可能的情况是,磁场将吸积盘推离了恒星的表面,而此时如果有一大团物质朝恒星运动的话,那么磁场就无法使得盘保持原有的距离。当吸积盘的内边界往里逼近的时候,磁场就会改变自身的形态并且以磁耀斑的形式释放出能量,由此产生高能辐射。

麦克尼尔星云和猎户V1647并没有终结有关年轻恒星X射线的争论,但它们确实对此产生了影响。“一些人会说,这只是一个例外,”卡斯特纳说,“其他人则可能会乐于接受吸积在这里也起到了作用,尽管许多甚至绝大多数的年轻恒星可能是通过星冕活动而产生X射线的。”

争论仍将继续,但物理图像已经较以往变得更为清晰。无论最终的结果会是怎样,猎户V1647小小的爆发使得杰伊·麦克尼尔和乔尔·卡斯特纳都参与到了最罕见的科学事件中——那就是发现崭新、意料之外和奇妙的东西。

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2 Responses to “一个天文爱好者如何改变恒星物理学”

  1. Scarlet说道:

    看到恒星周围的吸积盘和磁场,突然就对原来学过的空间物理有兴趣了,天知道我在大学的物理是学来干嘛的!至少现在我知道还可以磨一下脑子,让我不至于变成只会看肥皂剧的白痴

  2. 挑灯看剑说道:

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