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宇宙现诡异"僵尸旋涡" 不稳定力量助新恒星诞生

http://www.kexue.com 2013-08-26 09:32:50 凤凰科技  发表评论


美国加州大学伯克利分校的研究学者研发了一种新模型,显示了旋涡是如何导致原行星盘不稳定,从而引发气体向内旋转促进恒星的形成

绘架座b星附近恒星环境的图解。这张图片是基于利用哈勃太空望远镜上哥达德高分辨率摄谱仪进行的观测

基于凯克2号望远镜的观测的原行星盘印象图

  美国加州大学伯克利分校流体动力学专家提出的最新理论显示了“僵尸旋涡”是如何帮助新恒星的形成。旋涡会在环绕新形成恒星的盘状物死亡区域里形成。这些僵尸旋涡会动摇盘状物的气体,后者会落入恒星里帮助其完成形成过程。

  计算物理学家菲利普·马库斯(Philip Marcus)带领的研究小组发现了气体密度的变化是如何导致其不稳定性,后者会产生恒星形成所必须的旋涡。这篇研究被发表在8月20日的期刊《物理评论快报》上。

  天文学家认为在新恒星出生的前几个阶段里,密集的气体云会坍塌形成一大块,在角动量的帮助下,旋转形成飞盘状的盘状物,在那里开始形成原恒星。但为了让原恒星长大,旋转盘需要丢失一些角动量使得气体速度能够减慢并向内层旋转形成原恒星。一旦原恒星获得足够的质量,它便开始发生核聚变反应。“经过最后一步,一颗新的恒星便出生了。”机械工程学院的马库斯教授这样说道。至于气体盘是如何丢失角动量从而使得原恒星能够获得足够的质量却仍不清楚。

  不稳定力量

  天文学上的主导理论取决于磁场,因为不稳定力量会减慢行星盘的速度。这个理论存在的问题之一便是气体需要电离化,或者获得一个自由电子而带电,从而与磁场发生相互作用。然而,原行星盘部分地区因太寒冷而无法发生电离。

  “目前的模型显示由于原行星盘的气体太冷以至于无法与磁场发生相互作用,因此原行星盘是非常稳定的,” 马库斯说道。“很多区域由于非常稳定,因此天文学家将其称之为死亡区域——至于原行星盘的物质是如何变得不稳定并坍塌形成恒星仍然不清楚。”研究人员表示目前的模型无法解释原行星盘气体密度的变化。

  “密度的改变创造了暴力的不稳定性的开口,”研究合作作者、机械工程博士研究生佩德拉姆·哈桑扎德(Pedram Hassanzadeh)这样说道。当他们在试图解释电脑模型里的密度变化时,原行星盘出现了3D旋涡,这些旋涡孵化出更多旋涡,从而导致原行星盘角动量的最终瓦解。

  “由于这些旋涡出现在死亡区域,且由于新产生的巨大旋涡逐步覆盖了整个死亡区域,因此我们将其称之为僵尸旋涡,”马库斯这样说道。“僵尸旋涡导致环绕气体变得不稳定,使得后者落入原恒星并辅助完成恒星形成过程。”

  研究人员注意到液体或气体的垂直密度在整个自然界都发生了变化,从海洋——靠近海底的水比接近海面的水更冷更咸更密集——到大气层,越高海拔的气体越稀薄。这些密度的改变往往会创造不稳定性,从而导致湍流和旋涡,例如漩涡、飓风和龙卷风。木星的可变密度大气层里存在大量涡流,包括著名的大红斑。

  催生恒星出生

  这个最新模型吸引了马库斯的同事的注意,包括加州劳伦斯利福莫尔国家实验室的理论天体物理学家和天文学兼职教授理查德·克莱恩(Richard Klein)。克莱恩和恒星形成专家、美国加州大学伯克利分校物理学和天文学家教授克里斯多夫·麦琪(Christopher McKee)正与马克思一起合作,对僵尸旋涡进行更多测试。

  克莱恩和麦琪在过去的十年间一直密切合作试图计算出恒星形成关键的最初阶段,这个阶段描述了巨大气体云坍塌成飞盘状的圆盘。他们将与马库斯的研究小组合作,向他们提供计算出的环绕原恒星的盘状物的速度、温度和密度。这项合作将帮助马库斯的研究小组在更加实际的原行星盘模型里计算出僵尸旋涡的形成和发展。

  “其它的研究小组也解释了原行星盘的不稳定性,但问题之一在于这些不稳定性需要持续不断的搅动,” 克莱恩说道。“僵尸旋涡最大的特点是自我复制,因此即使最初只有少数旋涡,它们最终会覆盖原行星盘的整个死亡区域。”

  美国加州大学伯克利分校的其它研究合作作者包括机械工程学院的博士研究生裴苏阳(Suyang Pei)和博士后研究员蒋崇祥(Chung-Hsiang Jiang)。这一研究得到了美国国家科学基金会的支持。

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