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2017年6月20日

中大物理学家及统计学家联手揭示磁场与恒星诞生率之奥妙关系

2017年6月20日
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致密暗星云因遮蔽了背景星光故呈深黑色。彩色的光晕源于恒星的幅射,却只存在于右边的星云,原因一直是个谜。中大物理系及统计学系的研究团队最近发现了两个星云最大的不同:磁场。图中的红/黄色线段是磁场方向。左边的星云与磁场垂直而右边的则接近平行。太阳系方圆一千光年内的星云均倾向于和磁场垂直或平行。(图片来源: Stéphane Guisard)

磁场(图中以曲线显示其方向)分布于整个银河系。颜色代表气体密度;深褐色代表高密度,自水平中线渐次向南北递减 (图片来源: 欧洲太空总署)。

研究团队 (从左到右):中大统计学系副教授樊晓丹教授、中大物理系助理教授李华白教授、统计学系博士生蒋杭进、物理系博士生顾琦烙及张雅芃。

磁场线好比橡皮筋。假设磁场线的密度固定,当圆柱体和橡皮筋垂直排列时会接触到最多的磁场线,亦即遇到最大的张力;相反,平行于磁场线的圆柱体内则有最少的磁场,代表愈少的张力去反抗重力塌缩,故能形成愈多的恒星。

李华白教授的研究获著名学术期刊《自然天文》(Nature Astronomy)刊登为八月号的封面故事。 (图片来源: ESO/Stéphane Guisard及Nature Astronomy)

香港中文大学(中大)物理系李华白教授和统计学系樊晓丹教授携手合作,领导其博士生发现影响恒星诞生率的重要线索。该研究著名学术期刊《自然天文》(Nature Astronomy刊登为八月号的封面故事。 

分布于银河上的致密星云气体,是恒星诞生的「摇篮」。当星云气体达到一定密度,便会在自身重力作用下不断塌缩,将氢融合成氦,形成恒星。然而,相同大小及年龄的星云气体所产生的恒星数量可以相差甚远,这个现象一直是天文学家的未解之谜。 

究竟是甚么影响著恒星的形成率?这是发展现代恒星形成模型的关键问题。主流理论认为湍流(turbulence)是主要因素,但恒星数量大不相同的星云,并没有出现明显不同的湍流力量。李华白教授的研究团队颠覆传统,尝试以银河中无处不在的magnetic fields作为研究方向,来破解恒星形成率之谜。中大物理系博士一年级生顾琦烙在研究中负责分析磁场的方向,他说:「甫进入研究院,便能参与这个创新的研究项目,我实在感到兴奋。」 

研究团队发现,星云的延伸方向主要与磁场垂直或平行;而更意外的是,他们发现与磁场平行的星云普遍拥有更高的恒星形成率。这一重要发现将有助天文学家了解磁场在恒星形成中的作用,进一步完善现代恒星形成模型。

精密统计分析助揭开星云之谜 

鉴于此出乎意料的发现,研究团队必须加倍谨慎地验证此结果的显著性。因此,团队加入了中大统计学系晓丹教授和其博士生蒋杭进,作专业的统计分析。 

樊教授回忆道:「我十分欣赏李教授在处理科学问题上严谨审慎的态度。很多人在使用统计方法前,往往都忽略了覆核相关的前设是否正确。事实上,我们在选择或设计一个统计方法前,应全面地考虑样本量、抽样设计和测量误差等因素,同时还要如实地报告推断结果的不确定性。」 

蒋杭进在樊教授的指导下完成所有的统计分析,他说: 「能将学到的统计知识应用于如此重要的科学问题上,我感到很兴奋,也证明统计法则的应用范围十分广泛。」 

拉近学生与国际级研究的距离 

经过精密的统计分析,研究团队证实了磁场是影响恒星形成率的主要因素。李教授尝试用显浅的方法解释为何与磁场平行的星云较易形成恒星:「我们可以把磁场想像成多束平行并拉紧的橡皮筋,愈强的磁场代表愈多的橡皮筋,橡皮筋拉紧的方向代表磁场的方向,垂直于磁场方向的运动会被其张力抵抗。我们再把星云想像成一个橡皮筋能穿越的圆柱体。假设橡皮筋的密度固定,当圆柱体和橡皮筋垂直排列时会接触到最多的橡皮筋,亦即遇到最大的张力;相反,平行于磁场的圆柱体内则有最少的橡皮筋,代表愈少的张力去反抗重力塌缩,故能形成愈多的恒星。」 

为了提高学生对研究的兴趣,李教授会把他研究中的物理难题简化成本科生也有能力拆解的功课。除了是次研究外,李教授在2015年于《自然》发表有关巨型恒星的研究之前,亦曾将当中部分的理念化为本科生的天文功课。李教授说:「作为一个研究型大学的老师,我希望能将课程内容与进行中的研究连结起来,拉近学生与研究的距离,燃起他们参与研究的兴趣。毕竟,追求未知的热情才是研究工作的关键,若老师只提供已有标准答案的问题,未必可帮助他们判断自己是否适合从事研究。」 

新一代磁场探测仪即将登场以观测更远的星云 

研究团队会继续进行数值模拟,以进一步计算恒星形成率。此外,他们还有另一个大计──建构一个能探测星云磁场的新仪器。团队成员之一、物理系博士生张雅芃说:「虽然这次研究很成功,但我们只研究了距离地球仅1,000光年的星云。」张雅芃现正领导建构新的星云磁场探测仪,预计于2019年装置于智利Atacama沙漠的日本制远红外线望远镜上。届时,研究团队将能以更高的解像度观测更远的星云,进一步探索磁场与恒星形成的关系。

论文全文刊载于以下连结:
https://www.nature.com/articles/s41550-017-0158



致密暗星云因遮蔽了背景星光故呈深黑色。彩色的光晕源于恒星的幅射,却只存在于右边的星云,原因一直是个谜。中大物理系及统计学系的研究团队最近发现了两个星云最大的不同:磁场。图中的红/黄色线段是磁场方向。左边的星云与磁场垂直而右边的则接近平行。太阳系方圆一千光年内的星云均倾向于和磁场垂直或平行。(图片来源: Stéphane Guisard)

致密暗星云因遮蔽了背景星光故呈深黑色。彩色的光晕源于恒星的幅射,却只存在于右边的星云,原因一直是个谜。中大物理系及统计学系的研究团队最近发现了两个星云最大的不同:磁场。图中的红/黄色线段是磁场方向。左边的星云与磁场垂直而右边的则接近平行。太阳系方圆一千光年内的星云均倾向于和磁场垂直或平行。(图片来源: Stéphane Guisard)

 

磁场(图中以曲线显示其方向)分布于整个银河系。颜色代表气体密度;深褐色代表高密度,自水平中线渐次向南北递减 (图片来源: 欧洲太空总署)。

磁场(图中以曲线显示其方向)分布于整个银河系。颜色代表气体密度;深褐色代表高密度,自水平中线渐次向南北递减 (图片来源: 欧洲太空总署)。

 

研究团队 (从左到右):中大统计学系副教授樊晓丹教授、中大物理系助理教授李华白教授、统计学系博士生蒋杭进、物理系博士生顾琦烙及张雅芃。

研究团队 (从左到右):中大统计学系副教授樊晓丹教授、中大物理系助理教授李华白教授、统计学系博士生蒋杭进、物理系博士生顾琦烙及张雅芃。

 

磁场线好比橡皮筋。假设磁场线的密度固定,当圆柱体和橡皮筋垂直排列时会接触到最多的磁场线,亦即遇到最大的张力;相反,平行于磁场线的圆柱体内则有最少的磁场,代表愈少的张力去反抗重力塌缩,故能形成愈多的恒星。

磁场线好比橡皮筋。假设磁场线的密度固定,当圆柱体和橡皮筋垂直排列时会接触到最多的磁场线,亦即遇到最大的张力;相反,平行于磁场线的圆柱体内则有最少的磁场,代表愈少的张力去反抗重力塌缩,故能形成愈多的恒星。

 

李华白教授的研究获著名学术期刊《自然天文》(Nature Astronomy)刊登为八月号的封面故事。
(图片来源: ESO/Stéphane Guisard及Nature Astronomy)

李华白教授的研究获著名学术期刊《自然天文》(Nature Astronomy)刊登为八月号的封面故事。 (图片来源: ESO/Stéphane Guisard及Nature Astronomy)

 

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