http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2015-04-05
凤凰科技讯 北京时间2月13日消息，据科学日报报道，本周一支国际天文学家小组报告观察到一个仍处于早期形成阶段的多恒星系统。这项发现支持了美国马萨诸塞大学阿默斯特分校天体物理学家斯特拉•奥夫纳（Stella Offner）提出的两星或三星是如何形成的模型预测。
本周一支国际天文学家小组报告观察到一个仍处于早期形成阶段的多恒星系统
在发表在期刊《自然》上的这篇文章里，文章第一作者、苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)天文学学院的杰米•帕尼达（Jaime Pineda）与英国和美国的研究合作者表示，理解多恒星系统为何以及如何形成的对于理解各种现象，例如恒星和行星形成、行星频率和可居住性等至关重要。他们表示一个系统里恒星的数量是由恒星形成早期阶段所决定的，但那时发生的至关重要的过程往往被密集的尘埃气体云所遮挡。
帕尼达表示最新观测或将帮助解释为什么某些恒星前气体环境会形成只有单一恒星的系统，例如我们太阳系，而其它会形成双星甚至多星系统。几乎接近一半的恒星居住在拥有两颗以上恒星的系统里，包括太阳最近的恒星邻居半人马座阿尔法星系(Alpha Centauri)。然而，天文学家并不知道究竟什么决定了会形成多少颗恒星，或者什么样的初始环境会决定形成的恒星系统类型。他们在本周报告的结果将促进我们对这些环境的理解。
对恒星出生环境进行计算机模拟的帕尼达预测多星系统里的恒星会广泛分布，彼此之间的距离将是地球-太阳距离的几千倍。“恒星育儿所”里这样的初始环境是由气体速度和引力所主导的。
“这看上去是个简单的问题，”帕尼达说道。“为什么我们的太阳只是单一孤立的存在，而我们最近的半人马座阿尔法星系却是一个三星系统？针对多星系统究竟是如何产生的，现在存在很多相互竞争的模型，但我们现在有了新的理解。”
在最新的文章里，帕尼达和同事报告在跟进了射电望远镜天文台甚大望远镜（VLA）和世界上最大的可移动射电望远镜、美国弗吉尼亚州西部的绿岸射电望远镜（Green Bank Telescope，GBT）的有趣观测后，他们在英仙座“恒星育儿所”区域发现了正在形成的恒星系统。
最新的高分辨率观测显示了三种气体的冷凝物——密集气体丝的碎片——和一个仍在获取质量的非常年轻的恒星。他们估计冷凝物会在4万年的时间内形成一颗恒星，这从天文学角度看是非常短暂的。细丝碎片“提供了创造恒星系统的新通道，” 帕尼达和同事写道。“这是我们首次研究仍处在形成过程中的年轻系统，而这多亏了结合GBT和VLA的观测。”
尽管气体冷凝物之间的距离是太阳系大小的几倍，作者估计两者之间的引力作用足够强大，新的恒星将形成一个四星系统。然而，他们表示恒星之间的相互作用很可能会导致其中一个在不到100万年的时间内被驱逐，从而剩下一个三星系统。
不幸的是，见证这一系统的形成所获得的知识并不包括它们的特征或者信号，这使得天文学家无法定位更多类似的系统。“我们想要知道这样的配置有多常见，” 帕尼达解释道。“不幸的是，我们无法从初始的GBT调查中预测最初的情况，因此我们并不知道在其它地区如何寻找相似系统。仍需要更多调研工作和数字建模才能确定其它类似的年轻系统。”
“从对太阳形成的启示意义讲，最新发现表明太阳早期环境与这个新形成系统的环境并不相同。相反，太阳很可能形成于某种球状物，而非丝状物。太阳系内行星的分布也表明太阳从来不是多星系统里的一员。”（编译/严炎刘星）
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研究人员提出新理论框架解释星系群里恒星的产生
美国麻省理工学院和密歇根州立大学的研究人员提出了一项新理论描述星系群是如何规范恒星的形成。这一最新的理论框架被发表在期刊《自然》上。当星团内气体快速冷却，它会凝固然后坍塌形成新恒星。科学家们一直认为有某样东西阻止了气体冷却到足以产生更多恒星的温度，而这个东西具体是什么仍是个谜。
对某些星系群而言，研究人员认为星团内气体可能太过炙热——温度高达几亿摄氏度。即使一个区域发生冷却，周围密集的热量也将阻止它继续冷却——这个现象被称为传导。
“这就相当于将一块冰块放进一锅沸水里——平均温度仍接近沸点，”美国麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所的哈勃研究员迈克尔·麦克唐纳（Michael McDonald）这样说道。“在超级高的温度时，传导会消除温度分布因此没有冷却的气体形成恒星。”
在这些所谓的“冷却核心”星系群里，靠近中央的气体可能足够冷却以形成恒星。然而，一小部分冷却气体可能会落入中央黑洞，然后喷射出炙热的材料重新加热周围环境，从而阻止恒星形成——这种效应被研究小组称为“沉淀驱动的反馈”。
“有些恒星会形成，但在它变得无法控制之前，黑洞将加热周围一切——它相当于恒星群的恒温室。” 麦克唐纳说道。“传导和沉淀驱动的反馈的结合提供了一幅简单清晰的画面，展示星系群里恒星形成是如何被主导的。”
在整个宇宙里存在两种主要的星系群类型：冷却核心的星系群——那些快速冷却形成恒星的星系群——和非冷却核心星系群，它们并没有足够充足的时间冷却。
非冷却核心星系群后发座星系群充满了温度高达1亿摄氏度的气体。为了形成恒星，这些气体必须冷却几十亿年。相比之下，临近的英仙座星系群是一个冷却核心星系群，它的星团内气体温度只有温和的几百万摄氏度。英仙座星系群冷却的气体偶尔会形成于新恒星，尽管可能并没有科学家预测的那么多。
“恒星形成所需要的燃料量超过了恒星量的十倍，因此这些星系群本该富含恒星，” 麦克唐纳说道。“因此一定有某种机制阻止了气体的冷却，否则宇宙里的恒星数量至少是现在的10倍。”
麦克唐纳和同事提出了一个理论框架，包含了两个阻止冷却的机制。研究小组根据星系群半径、质量、密度和温度计算出星团内气体的行为。研究人员发现存在一个至关重要的温度临界点，低于它气体的冷却会显著加速，导致气体快速冷却形成恒星。
根据这一理论，两个不同的机制会规范气体的形成，这取决于星系群是低于或高于这一温度临界点。对于那些显著高于温度临界点的星系群而言，传导会抑制恒星的形成：周围炙热气体会阻止任何冷却气体形成恒星，从而保证星系群里一切都处于高温。
“对于那些较炙热的星系群而言，它们会保持处于炙热状态，永远无法冷却形成恒星，” 麦克唐纳解释道。“一旦进入高温范围，冷却是非常低效的，它们几乎将保持这一状态。
对于低于温度临界点的气体，想要冷却形成恒星轻而易举。然而，在这些星系群里，规范恒星形成主要依赖沉淀驱动的反馈：当冷却气体迅速凝结成水滴构成的云，这些水滴会落入中央黑洞，而黑洞会朝星系群释放炙热的物质流，加热周围气体从而阻止恒星的形成。”
“在英仙座星系群里，我们观察到这些物质流作用在炙热气体上，产生各种气泡、波纹和冲击波。” 麦克唐纳解释道。“现在我们就能够理解什么引发了这些物质流，从而导致气体落入黑洞。”
麦克唐纳和同事对比了他们的理论框架和遥远星系群的观测结果，结果发现他们的理论与观测到的星系群之间的差别相符。研究小组收集了钱德拉X射线天文台和南极望远镜的数据，后者是位于南极洲的天文台，用于搜寻遥远的巨大星系群。
研究人员将他们的理论框架与每一个已知星系群的气体冷却时间进行对比，结果发现星系群分为两类：非常缓慢冷却的星系群和快速冷却的星系群，这一分类标准与研究小组预预测的温度临界点相似。
通过利用这一理论模型，麦克唐纳表示研究人员或可以预测星系群的进化，以及它们产生的恒星。“这个理论框架的简单美妙之处在于，在很长时间内星系群只被分为两类，直到某件灾难性事件的发生，例如与另一个星系的碰撞。”
研究人员希望进一步深入研究这一理论，以调查星系群里规范恒星形成的机制是否也适用于单个星系。初步证据显示是如此。“如果我们可以利用所有这些信息理解为什么周围形成或没形成恒星，那么我们已经超前迈出了一大步。”（编译/严炎刘星）
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暗物质到底是什么？
暗物质究竟是什么是宇宙学里悬而未决的大谜题。宇宙里暗物质的量比可见物质的还要多，但它非常难以捉摸；它不会反射、吸收或者释放光，这使得它不可见。正因这个原因，它的存在只能通过它对可见宇宙施加的引力效应来推测。
为了更好的了解这个神秘物质，研究人员以类似研究可见物质的实验——也就是观察它与其他事物发生碰撞时的情形——对它进行了调查。研究人员对星系的大量集合，也被称为星系群进行了调查。涉及暗物质的星系群之间碰撞发生的非常自然，且发生次数非常多，这使得研究人员能够观察到碰撞所产生的效应。
星系包含三大主要的组成部分：恒星、气体云和暗物质。在碰撞过程中， 扩散至整个星系的气体云会在碰撞后减慢或者停下来。恒星受到的气体拖拽力较少，且由于彼此之间巨大的空隙，因此对彼此没有减慢效应——尽管如果两颗恒星碰撞，产生的摩擦力将是巨大的。
“我们知道恒星和气体在宇宙碰撞过程中的特性，以及它们在碰撞残骸里的位置。对比暗物质的行为可以帮助我们缩小确定它本质的可能性的范围。” 研究首席作者、瑞士瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的大卫·哈维(David Harvey)这样说道。
哈维和他的研究小组利用美国宇航局/欧洲航天局哈勃太空望远镜和美国宇航局钱德拉X射线天文台观察了72次大型星系群碰撞。这些碰撞发生在不同时间，且观测角度各异——有的从侧面观测而其他的从正面观察。研究小组发现，和恒星一样，暗物质在星系猛烈的碰撞过程中并不会减慢速度。然而，与恒星不同的地方在于，这并非因为碰撞过程中暗物质彼此相距甚远。主导理论认为暗物质均匀分布在整个星系群里，因此暗物质粒子会频繁的近距离接触彼此。暗物质不会减慢的原因在于它们不仅不会与可见粒子发生相互作用，它们与其它暗物质发生相互作用的程度也比之前预想的更少。
“之前的一项研究在子弹星系团里观察到相似的行为。”研究小组成员、英国杜伦大学的理查德·梅西（Richard Massey）这样说道。“但是如果你只有一个例子，那么解译所观察到的现象就非常困难。每一次碰撞都要几亿年时间，因此从人的一生的角度看，我们只能窥探这一动态事件的其中一帧画面。现在，我们研究了这么多次碰撞，开始逐渐拼凑出整部动态电影，从而更好地理解具体发生了什么。”
通过确定暗物质彼此相互作用比之前预想的更少，研究小组可以缩小暗物质特性的范围。粒子物理学理论学家还必须继续寻找，但他们在建立模型时需要考虑的未知因素就少了一些。
暗物质可能具有非常丰富和复杂的特性，同时还有好几种其它的相互作用需要研究。这项最新结果排除了创造强大摩擦力的相互作用，后者会导致暗物质在碰撞过程中减慢。其它可能的相互作用可能会导致暗物质粒子彼此反弹，就像台球一样，它们可能在碰撞过程中被抛出，或者改变形状。研究人员计划接下来对这些问题展开调查。
为了进一步增加可以研究的碰撞数量，研究小组还在寻找涉及单个星系的碰撞，这类碰撞相对普遍。“暗物质还有好几个可行的候选者，因此游戏尚未结束，但我们距离问题的答案又近了一步，” 哈维总结说道。“这些‘天文学巨大’的粒子碰撞使得我们最终可以一窥遥不可及的黑暗世界。”（艾米丽）
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