天体物理学中的俄罗斯套娃｜赛先生天文-资讯-知识分子

天体物理学中的俄罗斯套娃｜赛先生天文

2017/02/16

导读

宇宙中也存在像俄罗斯套娃那样的现象吗？

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俄罗斯套娃（图片来源：http://dolls.pemadawa.com/russian-dolls/）

近日，哈佛大学天文系系主任、哈佛-史密松天体物理学中心（CfA）的著名天体物理学家Abraham Loeb与合作者Nia Imara 在《自然·天文》（Nature Astronomy）创刊号上发表了一篇评论性文章，列举了宇宙中几类尺度递减但结构相似的现象。这种相似性犹如大家熟悉的俄罗斯套娃——大娃娃体内放着一个小的娃娃，小娃娃里面放着更小的娃娃，层层嵌套。《赛先生》将这篇有趣的文章翻译为中文，以飨读者。

作者：Abraham Loeb，Nia Imara（哈佛-史密松天体物理中心）

译者：王善钦（加州大学伯克利分校天文学系）、舒轶平（中国科学院国家天文台）

“当故事展开时，它让我想起俄罗斯套娃——每一个里面都包含着数不清的、更小的娃娃。”

——Carlos Ruiz Zafon 《风的影子》（2001）

俄罗斯套娃是这样的：小的娃娃位于与其同样形状的大娃娃的肚子里，而大娃娃在更大的娃娃肚子里，如此等等。宇宙中也存在像俄罗斯套娃那样的现象吗？

有一个例子立即在（人们）脑海中浮现：原子中电子围绕着原子核转动，而由原子组成的行星绕着恒星转动，恒星又绕着银河系中心转动。这个经典例子中的每一个“娃娃”都吸引了自己的科学家们的关注，但它们之间的相似性往往被忽略了。认识到这些尺度各异系统中的相似性，不仅可以让人们获得艺术方面的喜悦，还有可能揭示出主导这一相似性的根本原理。在不同尺度的系统中确认出共同点，是一门艺术，类似于探寻来自同一家族的亲属们共同的DNA特征。

天体物理学中还有其它类似俄罗斯套娃这样的例子吗？我们能够从它们的相似性中学到什么？下面我们列出这样的一些例子。

·盘中盘。我们的银河系包含了一个由恒星和气体组成的盘，这些恒星与气体以 235 千米每秒的速度绕着共同的中心旋转。在银河系中心，有一个400 万个太阳质量的黑洞；在这个黑洞周围，又有一个恒星与气体构成的、尺度更小的盘绕着它旋转。在整个银盘中，新形成的恒星嵌在围绕银心转动的分子云中，这些新的恒星周围同样也环绕着盘。在这些所谓的原行星盘中的气体与尘埃会聚集并最终形成行星，正如50亿年前我们的太阳系一样。但也许这并不是这个天体物理盘系统套娃结构中最小的娃娃。最先进的模拟表明，行星在其演化的早期，被一个更小的气体盘包围着（见图1中最小的娃娃）。未来的技术发展或许能让我们探测到围绕在初生行星周围这样的盘。

图1. 天体物理学俄罗斯套娃——盘。从最大到最小的图及其版权：旋涡星系M81（NASA）；人马座A*与它的盘的模拟（A.E.Broderick & A. Loeb）；对原行星盘的观测（S. Andrews/B. Saxton/ALMA）；对围绕着行星的盘的模拟（James Stone 及其合作者，Princeton）。

小行星在围绕行星的盘中形成、行星在围绕着恒星的盘中形成，这些过程可能与银盘中分子云形成、围绕着中心黑洞的恒星形成，有着本质上的共同点。通过掌握这些系统中某一个的通用的动力学过程，人们就能够对其他系统的性质做出新的预测。

当然，在进行这一类比时，我们必须意识到银盘与原行星盘的重要差异，包括温度、磁场强度与气体的电离状态的差异。

·纤维中的纤维。在自身引力的作用下，宇宙中每一个过于稠密的区域都倾向于先沿着它的短轴坍缩——产生片，然后沿着第二长的轴坍缩——产生纤维，最后沿着最长的轴坍缩——产生致密物体，如星系或者星系群。因此，弥散的星系际介质（intergalactic medium，IGM）通常呈现出片或纤维状的形态，构成一张“宇宙网（cosmic web）”（如图2），这被认为是宇宙大尺度结构的骨架。

图2. 天体物理学俄罗斯套娃——纤维。从最大到最小各图及其版权：对星系际纤维的模拟（Lars Hernquist 及其合作者，Harvard）；对银河系内中性原子氢的观测（P. M. W. Kalberla 等人）；对分子云内的纤维的观测（ESA/Herschel/PACS/SPIRE/V. Roccatagliata, U. München）；对（分子云）纤维中的纤维的观测（A.Hacar 等人）。

星系位于纵横交错的星系际纤维的扭结处，在星系内部，星际介质（interstellar medium，ISM）重复着上述的模式。例如，最近高分辨率的观测表明银河系中恒星间的原子气体呈现片和纤维状的网络结构，其成因可能来自超新星爆发所产生的冲击波。中性原子气流的碰撞或者其他类型的不稳定性，触发了最终将孕育恒星的冷暗的分子云的形成。

近年来，赫歇尔太空望远镜（Herschel Space Telescope）的红外观测表明，分子云散布在复杂的、秒差距尺度的细长、稠密的纤维状结构中。一旦单位长度的纤维的质量超过一个临界值，它就可能引发引力不稳定性并成为“前-恒星（pre-stellar）”核。（译者注：1秒差距=3.26光年）

对星际纤维的观测与模拟表明，嵌在其中的核正是通过这些纤维来吸积气体而长大。类似地，宇宙学模拟表明，沿着星系际介质流动的气体冷流为星系提供了恒星形成所需的大部分燃料。这类纤维状“俄罗斯套娃”中还可能存在其它尺度的纤维状结构。人们在对银河系内分子云的观测以及星际介质的模拟结果中看到了疑似这类“纤维”的迹象。主流的解释是：星系际介质中的大尺度纤维并不是简单的圆柱状结构，而是由错综复杂的纤维丛组成的；如果这些纤维丛进入引力不稳定状态，它们最终会变碎裂为一个个核。

尽管形态上星系际介质纤维与星际介质纤维有类似性，它们的形成机制可能是相当不一样的。宇宙学家的公认看法是：星系际介质纤维因引力不稳定性而产生，而分子云内部的纤维可能由星际介质的磁流体动力学湍动压缩导致。然而，星系际介质纤维的一些精细结构可能是由星系的外流导致的；正如同恒星反馈和湍动塑造出星际介质小尺度结构的方式。

·团中团。 星系倾向于成团。每一个旋涡星系包含一个引力束缚的气体盘，盘中的分子云常常在彼此的引力作用下聚集成巨大的分子云系统。虽然银河系中最小的分子云可能是被其周围的星际介质的压力束缚住，人们普遍认为，大质量的巨型分子云是被引力维系在一起的。被等级式地嵌套在分子云里面的是稠密的气体核，而气体核中最稠密的部分形成了星团。由此可见，长程的、没有特征尺度（scale-free）的引力在各种不同的成团尺度上得到了类似的体现。

对科学知识的追求不仅源于人类的好奇心与理解自然世界的渴求，更因为我们天性中对结构和对称性之美的追求。建立起跨越学科边界的关联，不仅可以提升我们对美的洞察力，同时也使我们对宇宙的理解更加全面。反之亦然，随着我们对宇宙的理解的加深，我们对宇宙的美的感知也更为深沉。

注：本文按照原文的 arXiv version 译制，与《自然·天文》版本略有不同。

原文链接：

https://arxiv.org/abs/1701.03664（网站版）

https://arxiv.org/pdf/1701.03664.pdf（PDF版）