星空万象

近日，中国科学院国家天文台的科学家们用“中国天眼”——FAST的观测结果，挑战了经典的恒星形成模型。到底经典模型是怎样的？这次的结果又是什么？我们请参与这项研究的FAST首席科学家李菂研究员来给大家说一说。

首先复习一下恒星形成的经典理论

经典的模型认为，分子云孕育了恒星，分子云中的致密区域发生塌缩，最终形成恒星。

比如我们熟悉的太阳，大约46亿年前，在距离银河系中心约2.6万光年之处的螺旋臂上，一团分子云开始在重力的作用下坍缩，大量元素分子被束缚在一个很小的空间，密度和温度急剧升高，引发核聚变，形成了太阳。

（来源：Veer图库）

但是这个过程并不简单，还会被其他过程所抗衡，比如磁场。重力尽力把物质“拉”到一起，而磁场则把它们“顶住”，不允许它们继续收缩。分子云密度越高的地方，重力越大，磁场也越强。在这场漫长的拉锯战中，磁场通过双极耗散等作用慢慢“消失”，重力获得胜利，最后形成恒星。恒星的孕育过程可能长达上千万年。

我们的发现挑战了经典理论

本次研究的对象是一个恒星的“胚胎”（也就是位于金牛座的分子云L1544）的磁场强度。在此之前，已经有其他科学家测量了它外层和内核的磁场强度，结果是：在外层，磁场占据着主导作用；内核虽然磁场更强，但分子密度也更大，因此重力占主导作用；然而还缺少介于外层和内核之间中间层的数据。

L1544周围区域的图像（L1544 是左下方的明亮区域，来源：ESA/Herschel和P. Casseli）

我们通过一种原创方法——中性氢窄线自吸收（HINSA）方法，利用FAST测量了L1544中间层的磁场强度，发现了与经典理论模型不一样的地方：中间层的磁场强度并不比分子云外层强，也就是说，分子云的各层磁场相对均匀，强度没有明显改变，而且比较弱。

这意味着：L1544磁场“消失”的原因与过去认为的“双极耗散”形成了冲突，恒星形成可能存在新的机制。同时，这个结果还意味着，这颗未来的恒星将在百万年之后形成，是原来预计上千万年孕育时间的1/10。

遥远的磁场是怎么看到的？

要想测量太空中的磁场强度是很难的，原因主要是两个：距离遥远、强度微弱。

目前，只能通过“塞曼效应”来间接测量分子云的磁场。塞曼效应是指白光沿磁场传播时，由于偏振作用使光谱发生变化，出现不同的颜色，根据光谱的变化就可以反推出磁场的强度。

塞曼效应示意图，左：无磁场光谱；右：有磁场光谱。

只有发光足够强、对磁场响应足够显著的物质能够被用来测量分子云里的塞曼效应，之前只能利用少数几种分子，而能够系统测量的只有羟基分子。由于原子对磁场的响应会比分子强，氢原子又是宇宙中丰度最高的元素，在2003年我们就提出了中性氢窄线自吸收的新方法，通过测量氢原子与氢分子碰撞冷却后的信号来测量星际磁场，而FAST正是探测暗弱中性氢源的利器。

这次研究首次实现了原创的中性氢窄线自吸收方法塞曼效应的探测，也实现了利用原子辐射手段来探测分子云磁场的“从0到1”的突破。

下一步，从1到100

那么，分子云L1544中观测到的情况是否在其他分子云中存在？在恒星形成过程中，星际磁场扮演了怎样的角色？我们将努力实现“从1到100”，进一步把这个原创的新方法应用在更多分子云中，希望能够解决这些问题，揭示恒星形成的规律。

正如未参与此项研究的美国伊利诺伊大学教授理查德·克鲁切尔评价的那样：“通过观测中性氢窄线自吸收的塞曼效应，FAST首次揭示了在恒星形成的早期阶段，磁压不足以阻止引力收缩，这与恒星形成的标准理论不一致。这一发现对于理解恒星形成的天体物理过程至关重要，并显示了FAST在解决重大天体物理问题方面的潜力。”

更多的宇宙奥秘，期待FAST去解开

“中国天眼”FAST（ 来源：https://lssf.cas.cn/）

FAST研究的范围是非常广泛的，除了大家熟知的脉冲星探测，还有本次研究涉及的中性氢探测、快速射电暴观测、以及地外文明搜寻、超新星遗迹探索等等，有望带来对这些天体的新认识。

2021年，FAST一半的机时用于优先和重大科学项目，45%的时间用于自由申请的项目，10%的时间用于国际开放项目，5%的时间用于应急观测。

自2020年1月11日通过国家验收至今，FAST已运行近两周年。基于超高灵敏度的明显优势，它已成为中低频射电天文领域的观天利器。可以说，中国30年来对科技基础设施投入是史无前例的，我们既是建设者，同时也是受益者。这些对基础科学的投入，让我们更有超越世界先进国家的底气。

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