中國(guó)天眼新發(fā)現(xiàn)登Nature封面：恒星形成速度比我們想象快10倍

曉查 2022-01-06 12:02:40 來源：量子位

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好消息！

“中國(guó)天眼”FAST又有新的重大發(fā)現(xiàn)，而且還登上了最新一期的Nature封面。

這一次，由國(guó)家天文臺(tái)慶道沖、李菂領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)，利用FAST測(cè)量了450光年外星云內(nèi)部的磁場(chǎng)。

他們的觀測(cè)結(jié)果或?qū)㈩嵏部茖W(xué)家恒星形成理論，也許恒星形成速度比我們想象的快10倍。

△?FAST探測(cè)分子云磁場(chǎng)，圖片來自國(guó)家天文臺(tái)

中科院國(guó)家天文臺(tái)在新聞發(fā)布會(huì)上表示，這是利用原子輻射手段探測(cè)分子云磁場(chǎng)的從0到1的突破。

馬克斯·普朗克天體物理研究所的Paola Caselli教授說：“如果其他氣體云中的情況也證明如此，那么對(duì)恒星形成研究領(lǐng)域來說，（這一發(fā)現(xiàn)）將是革命性的?！?/p>

△?FAST（500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡），圖片來自新華社

FAST發(fā)現(xiàn)了什么

長(zhǎng)期以來一直認(rèn)為，天文學(xué)家一直認(rèn)為恒星的形成需要數(shù)百萬年。而在星云坍縮成恒星的過程中，磁場(chǎng)起到關(guān)鍵作用。

法拉第用自制線圈測(cè)量磁場(chǎng)，但我們顯然不可能把天線伸到外太空。好在有塞曼效應(yīng)可以讓我們間接測(cè)量磁場(chǎng)。

所謂“塞曼效應(yīng)”，是指光譜的一條線在磁場(chǎng)作用下分裂成多條線的現(xiàn)象，通過測(cè)量多條線之間的頻率差，就可以算出磁場(chǎng)的強(qiáng)度。

△?塞曼效應(yīng)示例：A為無磁場(chǎng)時(shí)的光譜，B和C為有磁場(chǎng)時(shí)的光譜

對(duì)于星云來說，塞曼效應(yīng)主要發(fā)生在無線電波頻段，而FAST正是全球最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。

但是星云中的塞曼效應(yīng)實(shí)在太弱了。

2003年，李菂和Paul Goldsmith提出了一種HI窄自吸收 (HINSA) 技術(shù)，解決了這一問題。

HINSA是由氫原子與氫分子碰撞冷卻而產(chǎn)生的無線電信號(hào)。HINSA對(duì)磁場(chǎng)的反應(yīng)也相對(duì)較強(qiáng)，比一般的分子信號(hào)強(qiáng)5~10倍。

因此HINSA的塞曼效應(yīng)被認(rèn)為是研究星云中磁場(chǎng)的有力工具。

此前，科學(xué)家們用其他射電望遠(yuǎn)鏡研究了450光年外L1544分子云，分別測(cè)量了它外層和內(nèi)核的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

△?L1544分子云，圖片來自ESA

它們發(fā)現(xiàn)，在外層，磁力占據(jù)著主導(dǎo)作用，而內(nèi)核雖然磁力更強(qiáng)，但分子密度也更大，因此萬有引力占主導(dǎo)作用。

還缺少的就是介于外層和內(nèi)核之間中間層的數(shù)據(jù)，F(xiàn)AST承擔(dān)了測(cè)量這一區(qū)域磁場(chǎng)的任務(wù)，首次實(shí)現(xiàn)了HINSA塞曼效應(yīng)的探測(cè)。

結(jié)果國(guó)家天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，中間層的磁場(chǎng)強(qiáng)度為4微高斯，只有地球磁場(chǎng)的600萬分之一，而且并不比分子云外層強(qiáng)。

“如果要抵御密度增加100倍帶來的引力，磁場(chǎng)需要更強(qiáng)，但這并沒有發(fā)生”，李菂說。

也就是說，星云中的磁力可以抵御引力的地方應(yīng)該更靠近外層而不是核心，星云坍縮成恒星所需的時(shí)間也比之前預(yù)測(cè)得要少得多。

論文第一作者慶道沖表示，這一發(fā)現(xiàn)意味著，氣體云的進(jìn)化成恒星胚胎的速度比之前想象的要快10倍。

星際磁場(chǎng)如何消散導(dǎo)致星云坍塌，目前仍然是恒星形成中的未解之謎。

長(zhǎng)期以來，天文學(xué)家都認(rèn)為主要是雙極性擴(kuò)散將中性粒子從等離子體中分離出來，導(dǎo)致的引力坍縮發(fā)生。

而最新發(fā)現(xiàn)指出磁場(chǎng)消散發(fā)生在分子云包層的形成過程中，其中可能存在與雙極性擴(kuò)散不同的機(jī)制。

FAST再立新功

就在FAST新發(fā)現(xiàn)登上Nature封面的前一天，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)舉行新聞發(fā)布會(huì)，介紹了FAST去年在國(guó)際天文前沿領(lǐng)域取得的重要科學(xué)成果。

△?國(guó)家天文臺(tái)新聞發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，圖片來自新華社

除了中性氫譜線測(cè)量星際磁場(chǎng)外，F(xiàn)AST還有以下重大發(fā)現(xiàn)：

1、在約50天內(nèi)探測(cè)到1652次爆發(fā)事件，獲得迄今最大的快速射電暴爆發(fā)（FRB）事件樣本，超過此前本領(lǐng)域所有文章發(fā)表的爆發(fā)事件總量，研究論文于去年10月14日發(fā)表在Nature上。

2、截至目前，F(xiàn)AST共發(fā)現(xiàn)約500顆脈沖星，成為世界上發(fā)現(xiàn)脈沖星效率最高的設(shè)備。

國(guó)家天文臺(tái)表示，2021年，基于超高靈敏度的明顯優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)AST已成為中低頻射電天文領(lǐng)域的觀天利器。

FAST過去一直是尋找脈沖星的主要力量。這次新的研究結(jié)果表明，F(xiàn)AST也能參與包括恒星形成等天文學(xué)問題。

中國(guó)科學(xué)院院士、國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)常進(jìn)表示，未來FAST將致力于尋找小于1毫秒的亞毫秒脈沖星，這也是全世界都在找的一種系統(tǒng)。

另外，F(xiàn)AST還計(jì)劃在2022年給全國(guó)中小學(xué)生開放1%的觀測(cè)時(shí)間，由中小學(xué)生提出科學(xué)想法，由天文學(xué)家?guī)椭麄儊韺?shí)現(xiàn)。

團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介

本文第一作者是來自中國(guó)臺(tái)灣清華大學(xué)的慶道沖，2017年應(yīng)征來國(guó)家天文臺(tái)工作。

△?慶道沖，圖片來自ETtoday網(wǎng)站

畢業(yè)時(shí)，他在臺(tái)灣和大陸都有投簡(jiǎn)歷，但最后只收到國(guó)家天文臺(tái)的回復(fù)，

對(duì)于能到天眼工作，慶道沖感到非常興奮，因?yàn)檫@對(duì)他來說是一份“夢(mèng)幻工作”。

本文通訊作者是國(guó)家天文臺(tái)FAST首席科學(xué)家李菂。他本科就讀于北京大學(xué)，后來赴美國(guó)康奈爾大學(xué)攻讀博士學(xué)位。畢業(yè)后在美國(guó)史密松天體物理中心、NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室工作。

△?李菂在《開講啦》演講，圖片來自央視

2012年，李菂回到國(guó)內(nèi)，進(jìn)入中科院國(guó)家天文臺(tái)，2015年任FAST工程副總工程師，2018年成為FAST首席科學(xué)家。

參考鏈接：
[1]https://www.nature.com/articles/s41586-021-04159-x
[2]https://www.science.org/content/article/stars-may-form-10-times-faster-thought
[3]https://phys.org/news/2022-01-coherent-interstellar-magnetic-field.html
[4]http://www.news.cn/politics/2022-01/06/c_1211519084.htm
[5]http://www.news.cn/tech/2022-01/06/c_1128236091.htm