Adam+Frank　Shea

多虧了杰伊·麥克尼爾的發(fā)現(xiàn)，天文學家現(xiàn)如今才有機會搞清楚年輕恒星X射線爆發(fā)的成因。在恒星物理學中有一個揮之不去的問題。年輕的恒星會發(fā)出明亮的X射線，但是沒有人知道原因。在把人造衛(wèi)星送上天捕捉天體的X射線輻射數(shù)十年之后，天文學家們已經(jīng)知道恒星形成和X射線之間有著緊密的關聯(lián)。然而，它們是如何以及為什么“走”到一起的？X射線又能告訴我們些什么有關恒星形成的信息？這些問題的答案仍然未知。

轉(zhuǎn)機降臨在了2004年1月的一個晚上。是夜，一個名叫杰伊·麥克尼爾（Jay McNeil）的天文愛好者將他的

7.6厘米折射望遠鏡對準了獵戶座中的一個模糊區(qū)域。正是他所看到的東西使得發(fā)現(xiàn)的車輪向前推進并且徹底改變了有關恒星形成和X射線的爭論。麥克尼爾所發(fā)現(xiàn)的東西對于天文學家們來說也都是第一次看到。

幸運的突破

這是美國肯塔基州帕迪尤卡一個寒風凜冽的夜晚（但，幸運的是，天空晴朗），杰伊·麥克尼爾邁步走向其10米遠的后院天文臺。作為衛(wèi)星天線安裝工的他也是一個資深的天文愛好者，他會定期地對天空中的不同區(qū)域進行拍照。“我當時正在試用一架新的小望遠鏡，”6個月后麥克尼爾在接受美國全國公共廣播電臺的采訪時說，“由于天太冷，因此我快速地在獵戶座中拍攝了幾張照片就回屋了。在接下去的幾天里我也沒回去處理這些照片。”

三天后當他重拾這些照片的時候，他在反射星云M78附近發(fā)現(xiàn)到了一些東西?！捌鸪跷蚁胨赡苁浅霈F(xiàn)在圖像某一幀上的奇特反光，”他說，“但在我處理完所有的圖像之后，我看到的則是一個非常特別但卻實實在在的東西。”

隨后麥克尼爾立馬上網(wǎng)把他的發(fā)現(xiàn)和已有的數(shù)據(jù)進行比對。他檢索了獵戶座中這一區(qū)域里所有天體的位置數(shù)據(jù)，但是沒有找到。一周之后，他向國際天文學聯(lián)合會（IAU）發(fā)出了一份電報，公布這一發(fā)現(xiàn)。

“你應該看看這個！”邁克爾·里奇蒙德（Michael Richmond）沖進喬爾·卡斯特納（Joel Kastner）的辦公室對他說。里奇蒙德和卡斯特納是美國紐約羅徹斯特理工學院的天文學家。里奇蒙德偶然間在互聯(lián)網(wǎng)上看到了麥克尼爾的發(fā)現(xiàn)和他所拍攝的照相。他知道這是一樣能激起卡斯特納這樣一位恒星形成專家興趣的東西?？ㄋ固丶{的反應果然沒有讓他失望。

一個星云的誕生

在IAU公布了杰伊·麥克尼爾的電報之后，專業(yè)天文學家也將他們的大型望遠鏡對準了這一天區(qū)。在那里他們發(fā)現(xiàn)了一片錐形的氣體、塵埃云，而照亮這一星云的正是位于其頂端的一顆年輕恒星。這一星云現(xiàn)在被命名為“麥克尼爾星云”。當來自恒星的光線照射到氣體和塵埃的時候，它就能被看到了。

對于里奇蒙德和卡斯特納來說，這是一座潛在的金礦。他們知道這一爆發(fā)被認為是恒星形成過程中的一個關鍵階段。同時他們還知道這樣的爆發(fā)非常罕見。

天文學家只捕捉到過幾個進行中的恒星爆發(fā)，而且每個都出現(xiàn)在現(xiàn)代望遠鏡和空間天文臺問世之前。對于卡斯特納這樣一個年輕恒星X射線輻射領域的專家來說，獵戶V1647的爆發(fā)正是一個千載難逢的機遇。理論家們對于年輕恒星的爆發(fā)已經(jīng)有了一個大致的想法，但是對其中的細節(jié)還存有爭議。麥克尼爾星云能解開這個謎題嗎？

造一顆恒星

恒星是通過被稱為“吸積”的過程而形成的。整個過程始于夾雜著磁場的巨大氣體、塵埃云。通常，被稱為“云核”的一小部分星云會在自身的引力下坍縮。于是云核中的物質(zhì)就會掉向中心，新生恒星的種子就此形成。

恒星核開始時都會有一定的自轉(zhuǎn)，這是因為其母星云中包含有湍流、翻滾運動，就像旋轉(zhuǎn)的花樣滑冰運動員收回她的手臂一樣，當恒星核收縮的時候其中的氣體就會越轉(zhuǎn)越快。最終這些氣體會形成一個圍繞原恒星轉(zhuǎn)動的盤。

這個盤會成為恒星生長的調(diào)節(jié)器。為了抵達恒星，氣體必須先穿過這個“吸積盤”，然后才能落到恒星表面。天文學家已經(jīng)研究了這些盤的性質(zhì)，以此來了解它們的工作機理。此外，這些盤還會孕育行星，這也使得它們在天文學中變得尤為重要。

物質(zhì)流

至今尚無人清楚的一件事情是，是什么控制著穿過吸積盤的物質(zhì)流。這一物質(zhì)流是穩(wěn)定的嗎？換句話說，氣體是以不變的速率落入恒星的嗎？或者物質(zhì)流是不規(guī)則的，有大塊的物質(zhì)會一下子全掉到年輕的恒星上？

天文學家懷疑，磁場在影響吸積的過程中起到了巨大的作用。年輕恒星的磁場非常強大，它可以把吸積盤推開。這就會在恒星和吸積盤的內(nèi)邊緣之間形成縫隙。于是，盤中高溫的電離物質(zhì)不得不借助磁力線越過這一縫隙之后才能到達恒星表面。

科學家已經(jīng)研究出了許多數(shù)學模型來描述磁場是如何控制吸積盤和恒星之間的物質(zhì)流動的。通過盤所進行的吸積的穩(wěn)定性和磁場在吸積中所扮演的角色都是恒星形成研究中的重大課題。而天文學家們所缺乏的正是一個能夠顯示吸積是如何在真實的盤中所進行的觀測實例。

1973年當暗弱的獵戶FU在200天里從16等增亮100倍的時候，天文學家們發(fā)現(xiàn)了一些早期的線索。

現(xiàn)在已經(jīng)清楚，獵戶FU是一類亮度突然增大、隨后花幾十年的時間重回原來亮度的恒星。

隨后，天文學家們開始懷疑，每一次獵戶FU爆發(fā)事件都是由于吸積盤中的物質(zhì)流快速增加所導致的。當物質(zhì)落向恒星的時候，它會以光的形式釋放出引力能。

更重要的是，獵戶FU爆發(fā)事件證明通過盤所進行的吸積可以是不穩(wěn)定的。

一些天文學家猜想，重復出現(xiàn)的獵戶FU爆發(fā)事件可能代表著恒星形成的一個關鍵階段。問題是，天文學家只觀測到了為數(shù)不多的幾顆獵戶FU型恒星——而且通常都是在爆發(fā)開始之后、當它們的能量輸出已經(jīng)下降之時才發(fā)現(xiàn)的。雖然天文學家已經(jīng)觀測到了許多持續(xù)時間較短或者規(guī)模較小的類獵戶FU爆發(fā)現(xiàn)象，但最近一次完全的獵戶FU爆發(fā)事件還得要追溯到20世紀70年代。

X射線眼

但從那個年代至今，觀測技術已經(jīng)取得了突飛猛進的發(fā)展。事實上，卡斯特納把他大部分的職業(yè)生涯都投入到了位列這些巨大進展之一的錢德拉X射線天文臺的身上。因此當里奇蒙德帶著麥克尼爾星云的消息沖入他辦公室的時候，他立刻想到了“錢德拉”。endprint

在過去的十幾年中，卡斯特納一直在研究年輕恒星所發(fā)出的X射線，因此他深知其中的爭議。爭論的關鍵并不僅僅在于X射線，還事關恒星形成過程中無處不在的磁場。

“在天文學中磁場和X射線總是聯(lián)系在一塊兒的，”卡斯特納說。當科學家第一次把X射線照相機送入足夠高的高空之后，他們看到的第一樣東西就是太陽和它的日冕。

太陽具有一個強大的磁場，被稱為“太陽耀斑”的巨大等離子體爆發(fā)會形成X射線暴。“當我們使用‘錢德拉這樣的望遠鏡觀測年輕恒星的時候，也能看到明亮的X射線，”卡斯特納解釋說，“對于天文學家來說，太陽上磁場和X射線之間的聯(lián)系極具說服力，因此大家都有一個普遍的信念，那就是年輕的恒星也可以通過星冕中的爆發(fā)來產(chǎn)生X射線。”由于年輕的恒星應該比太陽自轉(zhuǎn)得快，于是它們就會擁有更強大的磁場，由此許多天文學家相信它們應該會是更為明亮的X射線源。但卡斯特納從來沒有完全接受這一觀點。多年來，他一直在尋找X射線和年輕恒星之間不同的關聯(lián)?！拔覀冎牢e是通過盤進行的，而我們也知道恒星的磁場會把盤推開?！彼f。

這暗示著恒星的磁場多多少少也會調(diào)控吸積?？ㄋ固丶{說：“對我來說，年輕恒星的X射線也應該和它們的吸積有關，而不僅僅來自星冕?！蓖ㄟ^吸積盤，磁場可以控制到達恒星表面的物質(zhì)流，而在物質(zhì)下落到恒星表面的時候就會產(chǎn)生X射線。

有了這樣一幅天文圖像，發(fā)現(xiàn)麥克尼爾星云的這一新聞把卡斯特納帶入了一個核心問題：如果由于吸積麥克尼爾星云中央的恒星出現(xiàn)了增亮，那么它在X射線波段是不是也是如此？卡斯特納知道，如果這顆恒星也確實發(fā)出X射線的話，它就將成為證明吸積和X射線之間聯(lián)系的關鍵性證據(jù)。搞清楚這個問題的唯一辦法就是獲得“錢德拉”的觀測時間，而且要快。

聯(lián)合觀測

卡斯特納、里奇蒙德和他們的合作者、來自美國范德堡大學的戴維·溫勞布（David Weintraub）無法通過常規(guī)的手段來申請“錢德拉”的觀測時間，因為這要花上幾個月的時間。他們必須在麥克尼爾星云仍處于爆發(fā)階段時對其進行觀測。幸運的是，他們爭取到了為類似獵戶V1647的爆發(fā)這樣不可預見的事件所預留的觀測時間。

就在“錢德拉”將要完成它的觀測前，卡斯特納收到了一封來自法國天體物理實驗室的天文學家尼古拉斯·格羅索（Nicolas Grosso）的電子郵件。他剛剛獲得了歐洲的牛頓X射線多鏡面望遠鏡對麥克尼爾星云的觀測時間?！板X德拉”和“牛頓”在觀測上各具特色，前者擁有更高的空間分辨率，后者則能獲得更好的X射線光譜。

卡斯特納和格羅索決定聯(lián)合起來，成立一個小組來進行X射線觀測并且對結(jié)果進行解釋。當卡斯特納和他的小組仔細查看“錢德拉”所獲得數(shù)據(jù)時，他們發(fā)現(xiàn)這顆恒星在X射線波段的爆發(fā)就如同在其他波段上的一樣?！八鼛缀跻呀?jīng)成為了其所在天區(qū)中第二亮的可探測X射線源，”卡斯特納解釋說，“我們看到它的亮度增強了50倍?！?/p>

不久這個小組也拿到了“牛頓”的數(shù)據(jù)。當他們畫出隨時間變化的X射線亮度曲線的時候，它的形狀和其他波段的亮度變化完全相符。這說明X射線和吸積確實是緊密相關的。

澄清真相

在作為少數(shù)派認為是吸積導致了原恒星發(fā)出X射線多年之后，卡斯特納感覺他的觀點得到了證明?！捌鸪跷艺J為這就是我們所需的所有證據(jù)——無須多說什么了，”卡斯特納回憶道，“但后來我意識到，這太幼稚了?！?/p>

科學其實是一個保守的行業(yè)。有證據(jù)顯示星冕磁場的活動導致了年輕恒星發(fā)出X射線，因此卡斯特納及其合作者不想做出沒有根據(jù)的論斷，“大多數(shù)人還沒有準備好改旗易幟?！?/p>

接下去的就是這個小組向世界頂級的《自然》雜志撰文投稿，期間也經(jīng)歷了通過電子郵件所進行的漫長妥協(xié)過程?？ㄋ固丶{的小組確保了他們的結(jié)論只涉及觀測數(shù)據(jù)所支持的那一部分。“為此我們花了一些功夫來說服小組里的所有人，”卡斯特納說，“最后我們所說的是，觀測結(jié)果顯示吸積可以增強X射線。我們并沒有說它是X射線的唯一來源?！边@篇措辭謹慎的文章隨后被《自然》雜志接收發(fā)表。

現(xiàn)在理論天體物理學家的要務是了解到底是什么產(chǎn)生了X射線。最有可能的情況是，磁場將吸積盤推離了恒星的表面，而此時如果有一大團物質(zhì)朝恒星運動的話，那么磁場就無法使得盤保持原有的距離。當吸積盤的內(nèi)邊界往里逼近的時候，磁場就會改變自身的形態(tài)并且以磁耀斑的形式釋放出能量，由此產(chǎn)生高能輻射。麥克尼爾星云和獵戶V1647并沒有終結(jié)有關年輕恒星X射線的爭論，但它們確實對此產(chǎn)生了影響?！耙恍┤藭f，這只是一個例外，”卡斯特納說，“其他人則可能會樂于接受吸積在這里也起到了作用，盡管許多甚至絕大多數(shù)的年輕恒星可能是通過星冕活動而產(chǎn)生X射線的?！?/p>

爭論仍將繼續(xù)，但物理圖像已經(jīng)較以往變得更為清晰。無論最終的結(jié)果會是怎樣，獵戶V1647小小的爆發(fā)使得杰伊·麥克尼爾和喬爾·卡斯特納都參與到了最罕見的科學事件中——那就是發(fā)現(xiàn)嶄新、意料之外和奇妙的東西。（來源：科學松鼠會）endprint