神秘黄球和新星星的诞生有何关系？

　　作者 格蕾丝·沃尔夫-蔡司、查尔斯·克尔顿（美国芝加哥阿德勒天文馆，美国爱荷华州立大学物理和天文系）

　　翻译 林一平

　　编辑/校对 李娟 丁家琦

　　赛先生“中小学生评审”张及晨为本文提出了修订意见，并撰写了点评。

　　星际介质：在星系中的恒星之间发现的弥漫的尘埃和气体。星际介质中最冷最密的地方就是可以形成恒星的地方。这些区域对可见光来说是不透明的，所以在我们星系的光学照片上呈现为暗区。

　　红外光：一种波长比可见光更长的光。红外光波长较长，意味着它可以比可见光更容易穿透星际介质中的尘埃区。

　　斯皮策空间望远镜：哈勃空间望远镜的小“表弟”，斯皮策包含一台直径0.85米的望远镜，外加设计用于观测红外光的仪器。它由美国航空航天局在2003年发射进入地球牵引轨道绕太阳运行。

　　太阳风：从太阳上流出的高度磁化的带电粒子流，主要是质子和电子。太阳风的运动速度一般为几百千米每秒。

　　原恒星：一团巨大的、球状的、正在收缩形成恒星的、聚集的气体和尘埃。原恒星的核心还没有致密和高温到足以引发核聚变反应。一旦聚变反应开始，这颗原恒星就成为了恒星。

　　人人都可以参与的科学项目

　　现代科学产生了大量的数据。有时候一个科学项目产生的数据量会非常庞大，以至于光是一名科学家，甚至一个科学家小团队都不能在合理的时间内处理完。在这种情况下，专业科学家会寻求热心的“公众科学家”的帮助。他们针对一个实际的科研课题设计出科学项目，借助很多人的眼睛（或耳朵）来完成项目目标，所有参与这些科学项目的人都可以被称为“公众科学家”（citizen scientist）。目前，在宇宙动物园网站上[1]，已汇集了三十多个科学项目，共有130万公众科学家参与，这其中就包括“银河计划”，公众科学家可以通过该项目帮助研究我们的星系中的恒星形成。

　　美丽无边的银河系

　　太阳属于银河系，这是一个非常大的恒星团体。银河系形状扁平，像一个巨大的盘子。如果你在很暗的地方仰望过夜空，你也许会留意到一条横贯天空的明亮光带（见图1），这条光带就是由位于银河系的银盘上的大量恒星组成的。大部分恒星对人眼来说都过于暗弱，无法单个地分辨出来。在地球上最黑暗的地方，你也许能够看到几千颗恒星，在小镇上，你也许可以看到几百颗，在大城市里也许只能看到几十颗。实际上，我们的星系里有几千亿颗恒星（千亿=100,000,000,000），但即使你用最强大的望远镜也只能看到其中的一小部分，这是因为星际介质，或者说是恒星之间的空间，包含了大量的气体星云和尘埃云。最冷和最密的星云会挡住其内部和后面的恒星的星光。

　　图1.银河。天文学家约瑟·弗朗西斯科·萨尔加多于2010年5月20日在美国加州雪松平原拍摄了这张银河系中心的照片。照片下方是由23面射电望远镜组成的毫米波天文研究组合阵列（CARMA）。（来源：美国芝加哥阿德勒天文馆）

　　隐藏的恒星诞生地

　　恒星诞生于星际介质中最致密、尘埃最多的区域，这个区域无法用一般望远镜来进行研究。幸好，红外光可以通过星际介质中的尘埃区域，在最近几十年里，天文学家们研制出了对红外光敏感的望远镜和探测器，来探测较冷的天体、窥探星云内部、研究恒星如何诞生。恒星诞生初期，新恒星温度过低，不能发出可见光，在红外波段却可以明亮地闪耀。随着恒星的形成，它释放更多的热，在可见光波段越来越亮。不过，这些可见光被周围星云的尘埃所吸收，无法离开星云，只有红外光可以穿过星云，并且会使周围的尘埃也变热，使得它们在红外波段也变得明亮。因此，可以使用红外光来研究形成中的恒星和它的周边环境[2]。

　　图2展示了银河系的一部分的红外图像。你在看到它的时候可能会想，既然这些光线人眼都看不到，又如何把它们制作成图像呢？很简单，使用威力强大的计算机程序，就能将红外颜色转换成可见光的颜色（通常是蓝绿红）。不同颜色的光代表不同组成成分的天体及其物理状态（比如温度）的信息。在图2的红外图像中，每个蓝点代表一颗恒星，由特定类型的气体分子和尘埃组成的星云则显示为绿色和红色。当两种或者更多的颜色在图像中叠加就得到不同的色彩。比如，绿色叠加上红色可以成为黄色（见图2中的小插图）。

　　图2.红外视角下的银河。这张图朝向银河星系中心的那部分，使用蓝绿红分别表现斯皮策空间望远镜捕捉到的红外光。其他颜色是这三种颜色的叠加（见左下小图）。（来源：美国航空航天局、加州理工喷气动力实验室、威斯康星大学）

　　“银河计划”的主要目标，就是处理斯皮策空间望远镜拍摄的红外图像。科学家们创立这一计划项目是为了获得普通大众的帮助，以对成千上万的红外图像中揭示的信息进行分类和研究。公众科学家按照指示检视图像，帮助专业科学家完成研究目标。

　　惊人的发现

　　我们要求公众科学家寻找的图像特征就如同你在图3最右图中所看到的一样[3]：有着绿色边缘的红色圆（或者椭圆）。红色主要代表细小的尘埃颗粒，绿色主要代表由很多氢原子和碳原子组成的温暖的气体。就像一个三维空间中的球在二维图像中看起来是个圆一样，在二维图像上，红绿色的特征看起来像是圆圈，而实际上在三维空间中，这些圆圈更像是“泡泡”。

　　图3. 一个“泡泡”的演化。图中从左到右依次阐释了围绕年轻大质量恒星的“泡泡”的演化阶段。中间图展示了由公众科学家发现的“神秘黄球”阶段（来源：美国航空航天局、加州理工喷气动力实验室）

　　这些“泡泡”是由大质量（比太阳质量大约十倍以上）的年轻恒星辐射产生。来自恒星的“风”则把周围的星云“吹开”。这种“风”并不像人们在地球上体验到的风，而是微小带电粒子组成的流，就像由电子和质子组成的太阳风一样。“泡泡”内的气体被年轻的恒星加热到极高的温度，气体的分子结构被破坏，只有一些尘埃粒子幸存下来。这就是为何图像中泡泡内部是红色的，而有分子幸存的边缘则是绿色的。

　　虽然“银河计划”中的公众科学家搜寻的是泡泡的图像，但是他们注意到很多图像上都有小的、近圆形的黄色物体，它们是什么呢？科学家让公众科学家继续做标记，搜寻更多样本，以对其做进一步研究。因为图像中的黄色是红色和绿色的叠加，科学家猜测这种被称之为“神秘黄球”的物体，可能是大泡泡“更年轻时”的样子，那时候年轻恒星附近的多数气体分子还没有被破坏[4]。

　　图3左侧两张图展示了泡泡演化的早期阶段。最左图中长长的暗区域是非常冷的星云，冷到红外望远镜都探测不到。在一部分这类星云中，引力强到可以把冷气体和尘埃拉到一起形成新的恒星。暗区域中的红点表示原恒星正开始加热尘埃的区域。原恒星就像是婴儿恒星，随着周围物质被引力拽到一起，它不断继续长大。这种婴儿阶段大概会持续1万年。当原恒星足够热之后，围绕它们的物质开始膨胀，尘埃和气体分子都开始发出红外光，制造出一个黄球（见图3中间的小图），大概能持续10万年。大部分黄球比太阳系大，但是比太阳到最近的其他恒星之间的距离要小，每个黄球可能会产生几十个甚至几百个恒星。

　　大约百万年以后，黄球会变成图三右图所示的成熟的泡泡。几百万年之后，泡泡自身也会消失，成为一般的星际介质，留下新形成的恒星，成为银河系银盘的一部分。

　　点缀在星云中的几百颗恒星

　　天文学家和业余天文爱好者最爱的猎户星云，是银河系中离我们最近的大质量恒星形成地，它向我们展现了一个泡泡在几百万年之后会是什么样子。在夜晚，猎户星云可以产生可见光，你是否用小望远镜或者双筒望远镜仰望过它？在这片星云中，有为星云提供动力的几颗大质量恒星，有带着较冷物质盘并可能形成行星的几百颗小恒星（与太阳相当），还有更大质量的恒星。图4显示了哈勃空间望远镜拍摄的猎户星云[5]，其中包括目前正在形成的行星系统的放大图。

　　我们有理由相信，约50亿年前，在类似猎户星云的环境中诞生了太阳系，搞清楚泡泡如何演化，将帮助我们理解当年地球是在什么条件下形成的。

　　图4.猎户座大星云中正在形成的行星系统。该图由哈勃空间望远镜拍摄的猎户星云的可见光图像构成。每张放大图展现一个正在该星云内形成的行星系统。最上方的放大图中的行星系统约为太阳系大小（约60亿英里=约97亿公里），整个星云有若干光年大小（一光年约为6,000,000,000,000英里=6万亿英里=9.7万亿公里），距离太阳约1500光年。（图片来源：美国航空航天局、欧洲空间局、M. 罗伯托（空间望远镜科学研究所/欧洲空间局、哈勃猎户宝藏项目组、L. 里奇（欧洲南方天文台））

　　是“尤里卡！”还是“那很有趣”？

　　找到反映重要特征的最佳红外色彩组合，是研究星团演化最早阶段的关键。如果使用另外一套红外色彩，黄球可能就不醒目了。天文学家总是想要尽可能多的看到不同颜色的光，但仪器不可能面面俱到。在建造天文仪器之前，科学家们需要思考什么样的仪器才能获取更多信息，以便更多地了解目标天体。斯皮策空间望远镜图片上的红外色彩被选来考察泡泡这样的特征，但科学家当时并不知道这种色彩能将年轻的黄球阶段呈现得这么好！

　　艾萨克·阿西莫夫（Isaac Asimov）是二十世纪著名科幻小说作家，他曾说：科学中可以听到的最激动人心的短语、新发现即将来临的预示，不是“尤里卡！”（古希腊语“找到了”的意思，出自阿基米德发现浮力定律的故事，译者注）而是“那很有趣”。感谢公众科学家的好奇心，包括第一位觉得“那很有趣”并把关于黄球的想法与他人分享的人，现在这类研究对象已多达1000个。根据这个目录，天文学家可以进行下一步观测计划，揭示黄球演化成为恒星“托儿所”的过程，以及像地球这样的行星是如何诞生的。

　　参考文献：

　　[1] Zooniverse. 2015. Available at: www.zooniverse.org

　　[2] Cool Cosmos. 2015. Available at: http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/

　　[3] Simpson, R. J., Povich, M. S., Kendrew, S., Lintott, C. J., Bressert, E., Arvidsson, K., et al. 2012. The milky way project first data release: a bubblier galactic disk. Mon. Not. R. Astron. Soc. 424:2442–60. doi:10.1111/j.1365-2966.2012.20770.x.

　　[4] Kerton, C. R., Wolf-Chase, G., Arvidsson, K., Lintott, C. J., and Simpson, R. J. 2015. The milky way project: what are yellowballs? Astrophys. J. 799:153–61. doi:10.1088/0004-637X/799/2/153.

　　[5] O’Dell, C. R., Wen, Z., and Hu, X. 1993. Discovery of new objects in the Orion nebula on HST images – shocks, compact sources, and protoplanetary disks. Astrophys. J. 410:696–700. doi:10.1086/172786.

　　Frontiers for Young Minds青少年评审：

　　弗里达（16岁）

　　你好，我是弗里达，我是芝加哥阿德勒天文馆的一名艺术家和实习生。

　　泰勒（16岁）

　　我是泰勒，我是阿德勒天文馆的一名公众科学实习生。我将成为莱恩技术学院预科高中三年级学生。

　　赛先生青少年评审：

　　张及晨（17岁，来自北京一零一中学，高二学生）

　　简介：从小热爱科学探索，尤其对天文学科有浓厚的兴趣，曾参加过8年全国中学生天文奥赛并多次获得金牌，三次入选中国国家队，代表国家参加多项国际学科奥林匹克竞赛并均获奖牌，现为北京市中学生天文联盟主席，入选“英才计划”在清华大学物理系天体物理中心学习天文科研，研究成果论文已在国内外学术论坛赛事上获奖。

　　点评：

　　本文介绍了一个由公众科学家参与的研究工作。最近，AlphaGo横扫围棋世界冠军的新闻，关于人工智能（AI）的议论甚至是“恐慌”又出现了高潮。然而，尽管计算机技术不断提高，在科研中依旧有很多工作程序无法替代人类，例如本文提到的对于图像信息的识别。随着大数据时代的来临，越来越多的数据需要靠大量的公众科学家们来高效处理，这种项目也是个科普的好途径。读者们也可以尝试参与一些，或许未来的某个诺贝尔奖获奖研究里，就有你的微小的贡献。

　　本文译自Frontiers for Young Minds网站。

　　原文标题：What do "yellowballs" have to do with the birth of new stars?

　　原文链接：http://kids.frontiersin.org/article/10.3389/frym.2015.00016

　　Copyright Policy：CC BY 3.0