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神秘黄球和新星星的诞生有何关系?

赛先生  · 公众号  · 科学  · 2017-06-04 08:36

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隐藏的恒星诞生地

恒星诞生于星际介质中最致密、尘埃最多的区域,这个区域无法用一般望远镜来进行研究。幸好,红外光可以通过星际介质中的尘埃区域,在最近几十年里,天文学家们研制出了对红外光敏感的望远镜和探测器,来探测较冷的天体、窥探星云内部、研究恒星如何诞生。恒星诞生初期,新恒星温度过低,不能发出可见光,在红外波段却可以明亮地闪耀。随着恒星的形成,它释放更多的热,在可见光波段越来越亮。不过,这些可见光被周围星云的尘埃所吸收,无法离开星云,只有红外光可以穿过星云,并且会使周围的尘埃也变热,使得它们在红外波段也变得明亮。因此,可以使用红外光来研究形成中的恒星和它的周边环境 [2]


图2展示了银河系的一部分的红外图像。你在看到它的时候可能会想,既然这些光线人眼都看不到,又如何把它们制作成图像呢?很简单,使用威力强大的计算机程序,就能将红外颜色转换成可见光的颜色(通常是蓝绿红)。不同颜色的光代表不同组成成分的天体及其物理状态(比如温度)的信息。在图2的红外图像中,每个蓝点代表一颗恒星,由特定类型的气体分子和尘埃组成的星云则显示为绿色和红色。当两种或者更多的颜色在图像中叠加就得到不同的色彩。比如,绿色叠加上红色可以成为黄色(见图2中的小插图)。


图2. 红外视角下的银河。这张图朝向银河星系中心的那部分,使用蓝绿红分别表现斯皮策空间望远镜捕捉到的红外光。其他颜色是这三种颜色的叠加(见左下小图)。(来源:美国航空航天局、加州理工喷气动力实验室、威斯康星大学)

“银河计划”的主要目标,就是处理斯皮策空间望远镜拍摄的红外图像。科学家们创立这一计划项目是为了获得普通大众的帮助,以对成千上万的红外图像中揭示的信息进行分类和研究。公众科学家按照指示检视图像,帮助专业科学家完成研究目标。

惊人的发现

我们要求公众科学家寻找的图像特征就如同你在图3最右图中所看到的一样 [3] :有着绿色边缘的红色圆(或者椭圆)。红色主要代表细小的尘埃颗粒,绿色主要代表由很多氢原子和碳原子组成的温暖的气体。就像一个三维空间中的球在二维图像中看起来是个圆一样,在二维图像上,红绿色的特征看起来像是圆圈,而实际上在三维空间中,这些圆圈更像是“泡泡”。


图3. 一个“泡泡”的演化。图中从左到右依次阐释了围绕年轻大质量恒星的“泡泡”的演化阶段。中间图展示了由公众科学家发现的“神秘黄球”阶段(来源:美国航空航天局、加州理工喷气动力实验室)

这些“泡泡”是由大质量(比太阳质量大约十倍以上)的年轻恒星辐射产生。来自恒星的“风”则把周围的星云“吹开”。这种“风”并不像人们在地球上体验到的风,而是微小带电粒子组成的流,就像由电子和质子组成的太阳风一样。“泡泡”内的气体被年轻的恒星加热到极高的温度,气体的分子结构被破坏,只有一些尘埃粒子幸存下来。这就是为何图像中泡泡内部是红色的,而有分子幸存的边缘则是绿色的。


虽然“银河计划”中的公众科学家搜寻的是泡泡的图像,但是他们注意到很多图像上都有小的、近圆形的黄色物体,它们是什么呢?科学家让公众科学家继续做标记,搜寻更多样本,以对其做进一步研究。因为图像中的黄色是红色和绿色的叠加,科学家猜测这种被称之为“神秘黄球”的物体,可能是大泡泡“更年轻时”的样子,那时候年轻恒星附近的多数气体分子还没有被破坏 [4]


图3左侧两张图展示了泡泡演化的早期阶段。最左图中长长的暗区域是非常冷的星云,冷到红外望远镜都探测不到。在一部分这类星云中,引力强到可以把冷气体和尘埃拉到一起形成新的恒星。暗区域中的红点表示原恒星正开始加热尘埃的区域。原恒星就像是婴儿恒星,随着周围物质被引力拽到一起,它不断继续长大。这种婴儿阶段大概会持续1万年。当原恒星足够热之后,围绕它们的物质开始膨胀,尘埃和气体分子都开始发出红外光,制造出一个黄球(见图3中间的小图),大概能持续10万年。大部分黄球比太阳系大,但是比太阳到最近的其他恒星之间的距离要小,每个黄球可能会产生几十个甚至几百个恒星。


大约百万年以后,黄球会变成图三右图所示的成熟的泡泡。几百万年之后,泡泡自身也会消失,成为一般的星际介质,留下新形成的恒星,成为银河系银盘的一部分。

点缀在星云中的几百颗恒星

天文学家和业余天文爱好者最爱的猎户星云,是银河系中离我们最近的大质量恒星形成地,它向我们展现了一个泡泡在几百万年之后会是什么样子。在夜晚,猎户星云可以产生可见光,你是否用小望远镜或者双筒望远镜仰望过它?在这片星云中,有为星云提供动力的几颗大质量恒星,有带着较冷物质盘并可能形成行星的几百颗小恒星(与太阳相当),还有更大质量的恒星。图4显示了哈勃空间望远镜拍摄的猎户星云 [5] ,其中包括目前正在形成的行星系统的放大图。







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