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[探索] 银河系星际介质原来长这样，像烟雾一样弥漫，湍流暗中涌动

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〃神经错乱系 发表于 2021-1-26 13:10:02 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
今天我们看到的银河系，是一个拥有着上千亿颗恒星的巨大星系，在宇宙无数星系中，它的质量和规模也属于鹤立鸡群。

不过，不论是这几千亿颗恒星还是它周围无数的行星，抑或是其他恒星死亡后形成的致密星，说到底都是由弥散在银河系内星际介质构成的分子云所形成的。

银河系星际介质原来长这样，像烟雾一样弥漫，湍流暗中涌动 第1张图片


直到今天，银河系内仍然遍布着大量的星际介质，它们与恒星有着非常纠葛的关系。星际介质是恒星的营养来源，通过大量星际介质的坍缩，就会形成一颗颗照耀在宇宙中的恒星；当恒星死亡时，它们又会将大量的物质回馈到宇宙空间，这些物质又继续孕育下一颗恒星，如此往复循环。

这就像是一个轮回，星际介质和恒星互相成就对方，为对方孕育摇篮。而且，它们之间的关系，将会在未来产生深远的影响。

因此，对于这些星际介质及其相关机制，科学家们始终非常关注。最近，海德堡大学天文学中心理论天体物理学研究所（ITA）的Christoph Federrath教授率领着他的团队，利用计算机模拟了星际介质及其形成分子云的过程，以及湍流在这个过程中所起到的作用，或将帮助我们更好地理解这种轮回过程。

银河系星际介质原来长这样，像烟雾一样弥漫，湍流暗中涌动 第2张图片


近些年来的研究表明，星际介质并非完全均匀地在星际空间分布，而是以一种类似于烟雾流动的湍流形式弥散。这种湍流不仅影响恒星的形成速率，同时影响着恒星能够获得多少质量。这个恒星质量决定了恒星的各个属性，甚至还能够影响周围会有怎样的行星形成，这当然也决定了行星是否能够孕育生命，因此对它的研究至关重要。

和烟雾的湍流一样，星际介质湍流中较大股的部分也会倾泻成许多的小股。其中的不同之处在于，星际介质湍流的密度非常低，每立方厘米只有1-100个粒子。正是由于这个因素，星际介质的粘度也非常低，这就使得湍流能量可以级联到更小的尺度。在这个过程中，湍流的速度也会出现梯度，从某些区域的超音速降低到附近的音速级别。

银河系星际介质原来长这样，像烟雾一样弥漫，湍流暗中涌动 第3张图片

（图片说明：本次研究的模拟过程截图）

在这种情况下，主宰气体云的将不再是这些湍流，而是引力。而这个临界值何时、以怎样的方式出现，就决定了气体云中密度相对较高的核心的大小，而这个核心就会在未来形成恒星。

尽管科学家推测出了这样的过程，但由于星际介质的复杂性，我们在看到一片星际介质湍流的时候，还是无法判断它会在哪里发生，这片区域的形状及范围如何。

来自海德堡大学的Rafl Klessen教授参与了本次研究，他介绍说：“这个物理过程中的复杂性超乎想象，它们之间的相互作用只能在计算机模拟的协助下才可以研究。”为此，他单独领导着一个团队，利用莱布尼茨超级计算中心的设备进行了这次模拟。

银河系星际介质原来长这样，像烟雾一样弥漫，湍流暗中涌动 第4张图片

（图片说明：本次研究中模拟出银河系内星际介质的一部分截图，其湍流结构非常明显，其中不同的颜色代表不同的密度）

研究人员在论文中指出，他们的这次模拟结果非常成功，与此前的理论非常匹配。通过模拟，他们不仅找到了从超音速到音速过渡的区域并且还成功地量化了其形状和范围。此外，他们发现二者之间的交界处并不那么泾渭分明，而是在一个很大的尺度下过渡的。

令人兴奋的是，在与银河系内真实存在的气体云进行对比后，他们发现自己的模拟结果也确实非常符合，再一次印证了这次模拟的准确性。

银河系星际介质原来长这样，像烟雾一样弥漫，湍流暗中涌动 第5张图片

（图片说明：哈勃太空望远镜拍摄的船底座星云，这里的恒星风和大质量恒星的电离辐射导致了分子云中湍流的形成）
Klessen说：“从理论上讲，这个过渡区决定了致密核心在星际气体云中被发现的概率。于是我们将自己的预测结果和在银河系气体云IC5146中的观测相对比，得到了极高的一致性，这个结果非常令人兴奋。”

在听说了这项研究的成果后，加州大学伯克利分校天文学系的Christopher McKee和新泽西州普林斯顿高级研究所的James Stone也专门撰文表示：“恒星的形成是天体物理学中的核心，不仅导致了我们在宇宙中观察到了多样性的恒星，也（间接）促成了黑洞和行星的形成、重元素的出现，还通过辐射、恒星风以及超新星爆发促使星际介质能量增加，甚至影响了星系的形成。”

银河系星际介质原来长这样，像烟雾一样弥漫，湍流暗中涌动 第6张图片

（图片说明：这是位于小熊座的北极星耀斑，距离我们490光年，星际气体和尘埃在这里绵延数十光年，还有许多相互纠缠的丝状结构，未来会形成恒星。本次研究的模拟结果与北极星耀斑进行了对比，匹配度非常高，验证了模拟的准确性）

简单来说，银河系内绝大部分天体或者天体结构的形成，都有可能受到了这个天体物理学过程及其演化机制的影响。正是因为这个过程和驱动它的湍流如此重要，科学家们才孜孜不倦地对其进行研究。

而另一方面，由于这个过程过于复杂，远远超出了人类的计算能力范围。因此，科学家只能通过计算机的模拟并将其与实际观测相对比，才能解决这个问题。

凭借着计算机的强大计算能力，他们终于实现了关于银河系星际介质和湍流的迄今为止最严格、最详细的模拟过程，并且取得了很大的成功，这对于未来科学家们理解银河系内天体的形成至关重要。

银河系星际介质原来长这样，像烟雾一样弥漫，湍流暗中涌动 第7张图片


可以肯定的是，未来超级计算机将会越来越多地加入到这种前沿的科学研究中来。因此，计算机的发展也就显得至关重要，更强大的计算力能够保证更精确的模拟结果。不仅仅是天文学，其他各个领域的科学理论发展，未来或都将寄希望于超级计算机的进步。


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标签：加州星际介质鹤立鸡群形成的致密星
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