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天体物理学中的俄罗斯套娃|赛先生天文

赛先生  · 公众号  · 科学  · 2017-02-17 07:32

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当然,在进行这一类比时,我们必须意识到银盘与原行星盘的重要差异,包括温度、磁场强度与气体的电离状态的差异。


·纤维中的纤维 在自身引力的作用下,宇宙中每一个过于稠密的区域都倾向于先沿着它的短轴坍缩——产生片,然后沿着第二长的轴坍缩——产生纤维,最后沿着最长的轴坍缩——产生致密物体,如星系或者星系群。因此,弥散的星系际介质( intergalactic medium IGM )通常呈现出片或纤维状的形态,构成一张“宇宙网(cosmic web)” (如图2) ,这被认为是宇宙大尺度结构的骨架。


图2. 天体物理学俄罗斯套娃——纤维。从最大到最小各图及其版权:对星系际纤维的模拟(Lars Hernquist 及其合作者,Harvard);对银河系内中性原子氢的观测(P. M. W. Kalberla 等人);对分子云内的纤维的观测(ESA/Herschel/PACS/SPIRE/V. Roccatagliata, U. München);对(分子云)纤维中的纤维的观测(A.Hacar 等人)。

星系位于纵横交错的星系际纤维的扭结处,在星系内部,星际介质(interstellar medium,ISM)重复着上述的模式。例如,最近高分辨率的观测表明银河系中恒星间的原子气体呈现片和纤维状的网络结构,其成因可能来自超新星爆发所产生的冲击波。中性原子气流的碰撞或者其他类型的不稳定性,触发了最终将孕育恒星的冷暗的分子云的形成。

近年来,赫歇尔太空望远镜(Herschel Space Telescope)的红外观测表明,分子云散布在复杂的、秒差距尺度的细长、稠密的纤维状结构中。一旦单位长度的纤维的质量超过一个临界值,它就可能引发引力不稳定性并成为“前-恒星(pre-stellar)”核。 (译者注:1秒差距=3.26光年)

对星际纤维的观测与模拟表明,嵌在其中的核正是通过这些纤维来吸积气体而长大。类似地,宇宙学模拟表明,沿着星系际介质流动的气体冷流为星系提供了恒星形成所需的大部分燃料。这类纤维状“俄罗斯套娃”中还可能存在其它尺度的纤维状结构。人们在对银河系内分子云的观测以及星际介质的模拟结果中看到了疑似这类“纤维”的迹象。主流的解释是:星系际介质中的大尺度纤维并不是简单的圆柱状结构,而是由错综复杂的纤维丛组成的;如果这些纤维丛进入引力不稳定状态,它们最终会变碎裂为一个个核。

尽管形态上星系际介质纤维与星际介质纤维有类似性,它们的形成机制可能是相当不一样的。宇宙学家的公认看法是:星系际介质纤维因引力不稳定性而产生,而分子云内部的纤维可能由星际介质的磁流体动力学湍动压缩导致。然而,星系际介质纤维的一些精细结构可能是由星系的外流导致的;正如同恒星反馈和湍动塑造出星际介质小尺度结构的方式。

·团中团。 星系倾向于成团。每一个旋涡星系包含一个引力束缚的气体盘,盘中的分子云常常在彼此的引力作用下聚集成巨大的分子云系统。虽然银河系中最小的分子云可能是被其周围的星际介质的压力束缚住,人们普遍认为,大质量的巨型分子云是被引力维系在一起的。被等级式地嵌套在分子云里面的是稠密的气体核,而气体核中最稠密的部分形成了星团。由此可见,长程的、没有特征尺度(scale-free)的引力在各种不同的成团尺度上得到了类似的体现。

对科学知识的追求不仅源于人类的好奇心与理解自然世界的渴求,更因为我们天性中对结构和对称性之美的追求。建立起跨越学科边界的关联,不仅可以提升我们对美的洞察力,同时也使我们对宇宙的理解更加全面。反之亦然,随着我们对宇宙的理解的加深,我们对宇宙的美的感知也更为深沉。


注:本文按照原文的 arXiv version 译制,与 《自然·天文》版本 略有不同。

原文链接:

https://arxiv.org/abs/1701.03664( 网站版

https://arxiv.org/pdf/1701.03664.pdf(PDF版)


原文第一作者 Abraham Loeb 2015

(图片来源:https://en.wikipedia.org/wiki/Avi_Loeb#/media/File:AviLoeb15.jpg)







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