2018年5月30日

星星的搖籃—分子雲

陳惠茹/國立清華大學物理碩士;美國加州大學柏克萊分校天文博士;研究著重於高質量恆星與大型星團如何由分子雲內誕生。

仰望夜空,浩瀚無垠的宇宙中,有著數不盡的星星,而在這些恆星之間的黑暗空間中,實際上存在許多雲氣狀態的物質,稱為「星際介質(interstellar medium, ISM)」。一般而言,這些雲氣不會發出明亮的可見光,較難察覺其存在,但卻是培育恆星與其所屬行星的搖籃,也是宇宙物質演化循環中,不可或缺的一環。

阿塔加瑪大型毫米∕次毫米波望遠鏡陣列(ALMA)觀測的獵戶座
分子雲內層級的絲條狀結構。(ESO / H. Drass / ALMA (ESO) /
NAOJ / NRAO) / A. Hacar)

星際介質的多種相態
隨著環境不同,星際介質會受到各種吸熱與散熱的作用,而處於不同的物理狀態,稱為「態」。目前已知存在數種不同的態,基本上是以氫原子的狀態來區分,如熱電漿態、暖電漿態、暖中性態與冷中性態。不同的態彼此間以相似的壓力達成平衡,而共存於星際空間。大致上來說,吸熱過程有許多來源:如吸收恆星發出的高能量輻射、宇宙射線的散打穿透、衝擊波如超新星爆炸、恆星風攜帶的能量等。而散熱過程主要是以原子、分子或塵埃的輻射放光作用來冷卻,平衡吸熱與散熱的過程決定了一個態的溫度。

在壓力相等的前提下,由理想氣體方程式可得知,溫度低的態,密度自然就高,而密度最高的態,就是「分子雲(molecular clouds)」。顧名思義,其主要的組成已是氫分子,溫度大致上在10~20 K之間,平均密度約在100 個分子∕公分3左右。分子雲內部的緻密核(dense cores),密度更可達到106 個分子∕公分3。因為分子雲的密度非常高,重力的作用較為明顯,尤其緻密核更是恆星星團的誕生地。分子雲的規模有大有小,最大的巨分子雲(giant molecular clouds, GMCs)總質量可上達107太陽質量,也就是1034公噸。分子雲是宇宙物質分布中一個很特殊的態,佔了整體空間中不到1%,卻是許多物理現象交互作用的所在。

重力、紊流與磁場交相輝映的舞台
大致來說,重力是萬有引力,處處存在,但若只有重力的作用,所有的雲氣就會在極短的時間內塌縮,進而形成大量的恆星,但觀測上並沒有看見這樣的現象,所以在不同的尺度上,應有其他的作用與重力相互抗衡,延緩重力聚集質量的效率,預告了紊流與磁場的存在。分子雲內部有著極為複雜的質量分布與動力學結構,基本上是紊流、磁場與重力交相作用的產物。數年前由歐洲主導的赫修(Herschel)衛星在紅外線波段的觀測發現了分子雲的層級絲狀結構(filaments),密度高的部分多呈現絲條狀的型態,且對外連結密度較低的垂直絲狀結構,顯示紊流與磁場對分子雲的結構有重要的影響。近年來,阿塔加瑪大型毫米∕次毫米波望遠鏡陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA)更大為提高觀測的解析度,不僅確認絲條狀結構的存在,更進一步探討絲條狀結構可能是由更細微的次結構所組成。

分子雲內的溫度極低,以10 K來說,聲速僅有0.2 km∕s,也是熱運動所造成的分子譜線線寬,但實際觀測到譜線線寬往往遠大於熱運動的值,因而推斷超音速紊流(supersonic turbulence)普遍存在於分子雲內。根據紊流造成似碎形般的氣體分布,估計維度約在2.3左右。早期拉森(Richard B. Larson)整合了數種分子譜線的觀測結果後,發現因紊流造成的譜線線寬(Δv)與分子雲的尺度(L)有明顯的正比關係,即「拉森法則(Larson’s law,圖一)」。

圖一:拉森法則描述因紊流造成的分子譜線線寬
與雲氣尺度的0.38次方成正比相關性。


這種亂運動與尺度間的關聯性,恰恰符合能量分布遵循柯爾莫戈洛夫紊流(Kolmogorov turbulence)的特性(圖二)。紊流的能量分布隨著尺度縮小而降低,由大尺度的結構驅動紊流,透過紊流漩渦的特性,將能量層級傳遞向較小的尺度結構,最後消散在最小的尺度上。不同尺度上的能量,正比於測量尺度的5/3次方。......【更多內容請閱讀科學月刊第582期】

圖二:柯爾莫戈洛夫紊流內能量分布與尺度的關係。


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