哈勃視頻以空前精度揭示新生恒星的超音速噴流.doc

哈勃視頻以空前精度揭示新生恒星的超音速噴流 歷時(shí)14年的觀測(cè)積累，一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)終于收集了足夠的高分辨率哈勃太空望遠(yuǎn)鏡圖像，由此制作成延時(shí)視頻，展示了三顆年輕恒星的強(qiáng)大噴流。哈勃WFPC2拍攝的三個(gè)HH天體，大圖下載，版權(quán)：NASA，ESA，P. Haritgan，下同。恒星羞于公開(kāi)它們的誕生秘密：它們朝相反的兩個(gè)方向噴射發(fā)光氣體流，以超音速穿過(guò)太空（譯者注：恒星際空間中的音速，相當(dāng)于其中氫原子或質(zhì)子的自由運(yùn)動(dòng)速率）。雖然天文學(xué)家數(shù)十年來(lái)都在看恒星噴流的靜止圖像，但現(xiàn)在，感謝哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，我們能看到它們的延時(shí)視頻了。帶解說(shuō)的完整視頻下載：177MB。由德克薩斯州休斯頓市萊斯（Rice）大學(xué)Patrick Hartigan領(lǐng)銜，多位科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)，歷經(jīng)14年收集了足夠的哈勃高分辨率圖像，制作了三顆恒星的年輕噴流的延時(shí)視頻。動(dòng)畫提供了噴流這一獨(dú)特恒星現(xiàn)象在僅僅數(shù)年間的移動(dòng)和變化。要知道絕大部分的天文事件的時(shí)標(biāo)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人的生命。視頻展示了這些噴流快速穿過(guò)星際環(huán)境的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。前所未見(jiàn)的噴流結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)包括明亮、暗淡的氣體節(jié)，快、慢運(yùn)動(dòng)物質(zhì)相互間的碰撞，以及由此產(chǎn)生的箭頭狀特征（沖擊波）。這些現(xiàn)象表征著恒星誕生的最后階段，讓我們一瞥45億年前太陽(yáng)誕生的情形。哈勃拍攝的HH47，左下角是源恒星所在。HH46、47在南天的船帆座，離我們約1470光年。Hartigan 解釋說(shuō)：“我們首次通過(guò)延時(shí)視頻實(shí)際觀測(cè)到噴流是如何與周圍環(huán)境相互作用的。這些相互作用告訴我們年輕恒星是如何影響其誕生的環(huán)境的。 就像這些視頻展示的，我們現(xiàn)在能夠把噴流的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果與計(jì)算機(jī)模型以及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)相比較，由此了解什么是我們已知的，什么是未知的。”Hartigan團(tuán)隊(duì)的研究報(bào)告已經(jīng)刊登在2011.7.20出版的天體物理學(xué)期刊上?；钴S的噴流在恒星誕生階段持續(xù)的時(shí)間很短，僅約1萬(wàn)年。它們稱為赫比格-哈羅天體（HH），名稱來(lái)自20世紀(jì)50年代就研究它們的George Herbig 、Guillermo Haro。當(dāng)時(shí)，天文學(xué)家并不知道噴流在恒星誕生過(guò)程中扮演了什么角色，也許恒星恰好噴出了這些氣體。恒星誕生于收縮的冷氫云中。隨著恒星成長(zhǎng)，它的重力吸引了越來(lái)越多的物質(zhì)，并形成一個(gè)圍繞恒星的、有其他塵埃組成的巨大旋轉(zhuǎn)盤。最終，隨著塵埃團(tuán)塊的聚集，可能會(huì)出現(xiàn)行星。WFPC2于1995年拍攝的HH34全貌。盤中物質(zhì)逐漸向恒星盤旋落下，同時(shí)部分物質(zhì)沿著恒星自轉(zhuǎn)軸以高速噴流逃逸。由于恒星強(qiáng)大磁場(chǎng)的約束，最初的高速噴流以窄束形式存在。通常在恒星誕生后百萬(wàn)年間，隨著盤中物質(zhì)耗盡，噴流也停止了。Hartigan和他的同事使用哈勃的第二代廣域行星相機(jī)（WFPC2，已退役）系統(tǒng)研究了HH1、HH2、HH34、HH46和HH47等天體。其中，HH1、2，HH46、47分別是單顆恒星噴出的相反方向的一對(duì)噴流。哈勃分別在三個(gè)時(shí)段拍攝了這些噴流：HH1、2在1994、1997、2007年；HH34在1994、1998、2007年；HH46、47在1994、1999、2008年。噴流的寬度約為太陽(yáng)系的10倍，并以約200km/s的速率前進(jìn)（與太陽(yáng)風(fēng)速率相當(dāng)）。HH1、2和HH34都位于獵戶座大星云（M 42）附近，離地球約1350光年。圖示HH34等所在的獵戶座分子云復(fù)合體的一部分，有大量的HH天體。大圖下載。計(jì)算機(jī)軟件把多年觀測(cè)圖像組織在一起，產(chǎn)生連續(xù)動(dòng)畫。動(dòng)畫支持先前的發(fā)現(xiàn)：兩極噴流并不是像澆水管中噴出的穩(wěn)恒流，而是偶發(fā)的團(tuán)塊氣流。噴流的珠鏈狀結(jié)構(gòu)就像一張“記錄紙帶”，記錄著物質(zhì)短暫落入恒星的時(shí)段。哈勃拍攝的HH2頂部，本圖為專業(yè)PDF中配圖，更清晰指出了其中的氣團(tuán)位置。視頻還顯示，噴流中的氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)速度不一，就像高速公路中車輛快慢不同一般。當(dāng)快遞運(yùn)動(dòng)的團(tuán)塊“追尾”慢氣團(tuán)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生弓形激波，并加熱其中物質(zhì)。弓形激波是熾熱物質(zhì)沖擊波，就像船頭犁開(kāi)水面形成的波一樣。例如，在HH2中就能看到多個(gè)沖擊波，它們是快速運(yùn)動(dòng)的團(tuán)塊撞在一起形成的，就像高速公路上的塞車。在另一個(gè)噴流HH34中，一組合并的弓形激波展示了該區(qū)域在沖擊波交叉而過(guò)時(shí)，物質(zhì)先加熱后逐漸變冷的過(guò)程。HH34噴流頂部的沖擊波疊加情況。在其他區(qū)域，當(dāng)噴流遭遇周圍環(huán)境中的稠密氣體云時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生激波。例如HH1的頂部有一個(gè)弓形激波，那是噴流沖擊稠密氣體云的邊緣產(chǎn)生的，我們能觀測(cè)到新的發(fā)光物質(zhì)團(tuán)。這些團(tuán)塊可能說(shuō)明噴流已經(jīng)在掃除云中的氣體，就像快速流動(dòng)的河流沖刷海岸線上的泥土一樣（輕的沖入大海，重的留下）。視頻還展示了靠近新生恒星區(qū)域噴流的那些內(nèi)部氣體團(tuán)的特性。在HH34中，Hartigan追蹤了離恒星約150億千米的一個(gè)發(fā)光氣團(tuán)。HH34中的“珠鏈”多年運(yùn)動(dòng)對(duì)比（PDF插圖），哈勃的精度可見(jiàn)一斑。大圖下載。Hartigan解釋說(shuō)：“我們的研究綜合了噴流物質(zhì)的兩種相互作用情況：噴流內(nèi)的，以及噴流與周圍氣體的；結(jié)果是有明顯區(qū)別的。研究結(jié)果與當(dāng)前大部分的模擬不同，后者假設(shè)噴流是光滑的系統(tǒng)?！庇捎诠獔D像展示的細(xì)節(jié)極為復(fù)雜，Hartigan為此請(qǐng)教了流體力學(xué)專家，這些專家分別來(lái)自新墨西哥洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、加州圣迭哥的通用原子能公司、英國(guó)核武器研究中心等；還請(qǐng)教了紐約羅徹斯特大學(xué)的計(jì)算機(jī)專家。根據(jù)哈勃研究結(jié)果，Hartigan 現(xiàn)正指導(dǎo)紐約的歐米茄激光實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，以更好地理解超音速噴流與周圍環(huán)境的相互作用。Hartigan繼續(xù)解說(shuō)：“流體力學(xué)專家立刻注意到一項(xiàng)天文學(xué)家忽略的物理現(xiàn)象，并將對(duì)我們以前知道的特征給出新的解釋。項(xiàng)目中來(lái)自不同學(xué)科的科學(xué)家?guī)?lái)他們獨(dú)有的專業(yè)知識(shí)，這對(duì)我們了解恒星演化中的臨界階段具有寶貴的價(jià)值。”Hartigan團(tuán)隊(duì)成員除天文學(xué)家外，還包括：紐約羅徹斯特大學(xué)的Adam Frank，位于Aldermaston村的英國(guó)核