新理论表明“僵尸漩涡”如何在恒星形成中发挥作用

美国国家航空航天局（NASA）的斯必泽太空望远镜（Spitzer Space Telescope）发现了一个棕色矮星的艺术家概念，周围环绕着旋转的原行星盘。加州大学伯克利分校的研究人员开发了一个模型，该模型显示了涡旋如何帮助破坏圆盘的稳定性，从而使气体可以向内向形成恒星旋转。（图片由NASA / JPL-Caltech提供）

加州大学伯克利分校的研究人员提出了一种新理论，解释了“僵尸漩涡”如何帮助导致一颗新恒星的诞生。

计算物理学家菲利普·马库斯（Philip Marcus）领导的一个团队在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上进行了报道，展示了气体密度的变化如何导致不稳定性，然后产生了恒星形成所需的漩涡状涡旋。

天文学家认为，在新恒星诞生的第一步中，浓密的气体云会坍塌成团块，这些团块借助角动量旋转成一个或多个类似飞盘的盘，从而形成原恒星。但是要使原恒星变大，旋转盘需要失去一些角动量，以便气体减速并向内螺旋进入原恒星。一旦原恒星获得足够的质量，它就可以开始核聚变。

机械工程系教授马库斯（Marcus）说：“经过最后一步，便诞生了一颗星星。”

朦胧的恰恰是云盘如何释放其角动量，从而使质量可以进入原恒星。

Beta Pictoris星的近恒星环境的插图。该图像基于哈勃太空望远镜上戈达德高分辨率光谱仪的观测结果。（图片由太空望远镜科学研究所Dana Berry提供）

破坏力量

天文学的领先理论依靠磁场作为使磁盘变慢的不稳定力。该理论中的一个问题是，气体需要被电离，或被自由电子带电，才能与磁场相互作用。但是，原行星盘中有些区域太冷而无法发生电离。

“目前的模型表明，由于磁盘中的气体太冷而无法与磁场相互作用，因此磁盘非常稳定，” Marcus说。“许多地区是如此稳定，以致天文学家称它们为死区-因此，尚不清楚盘状物质如何失稳并塌陷到恒星上。”

研究人员说，当前的模型也未能根据原行星盘的高度来解释原行星盘气体密度的变化。

该研究的合著者佩德兰·哈桑扎德（Pedram Hassanzadeh）说：“密度的这种变化为暴力的不稳定创造了机会。”机械工程专业的学生。当他们考虑计算机模型中的密度变化时，原行星盘中出现了3D涡旋，这些涡旋产生了更多的涡旋，最终导致了原行星盘角动量的破坏。

马库斯说：“因为涡流是从这些死区中产生的，并且由于新一代巨型涡流在这些死区中穿行，所以我们亲切地将它们称为‘僵尸涡流’。”“僵尸涡旋破坏了轨道气体的稳定性，使其坠落到原恒星上并完成了它的形成。”

研究人员指出，液体或气体的垂直密度的变化在整个自然界中都会发生，从海洋（底部附近的水比地表水更冷，更咸，更稠密）到大气中的空气（海拔较高的地方更稀薄） 。这些密度变化通常会产生不稳定性，从而导致湍流和漩涡，例如漩涡，飓风和龙卷风。木星的密度可变的大气层会引起许多涡旋，其中包括著名的大红色斑点。

基于凯克二世望远镜观测的原行星盘插图。（图片由W. M. Keck天文台提供）

连接导致恒星诞生的步骤

这种新模型引起了加州大学伯克利分校Marcus同事的注意，其中包括天文学兼职教授，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的理论天体物理学家Richard Klein。克莱恩和加州大学伯克利分校物理学与天文学教授，恒星形成专家克里斯托弗·麦基（Christopher McKee）不在《物理评论快报》中描述的工作的一部分，而是与马库斯（Marcus）合作，对僵尸涡旋进行更多测试。

克莱因和麦基（Klein and McKee）在过去十年中一直致力于计算恒星形成的关键第一步，它描述了巨大的气体云塌陷成飞盘状磁盘的过程。他们将与马库斯的团队合作，为他们提供围绕原恒星的盘算出的速度，温度和密度。这项合作将使Marcus的团队能够在更加逼真的磁盘模型中研究僵尸漩涡的形成和行进。

克莱因说：“其他研究小组发现了原行星盘中的不稳定性，但部分问题在于这些不稳定性需要不断地搅动。”“关于僵尸涡流的好处是它们是自我复制的，因此，即使仅从几个涡流开始，它们最终仍会覆盖磁盘中的死区。”

加州大学伯克利分校的其他共同作者是裴素扬博士。机械工程系的学生，博士生姜忠祥。

国家科学基金会帮助支持了这项研究。

出版物：Philip S. Marcus等人，“在稳定的分层旋转剪切流中通过自我复制产生的三维涡旋”，物理。莱特牧师111，084501，2013; doi：10.1103 / PhysRevLett.111.084501

研究报告的PDF副本：中性稳定的分层旋转剪切流中的自复制三维涡旋

图片：NASA / JPL-Caltech；太空望远镜科学研究所Dana Berry； W·M·凯克天文台