星际物质研究论文

我院2017届本科毕业生张雅鹏在《NATURE》发文， 首次在太阳系外行星大气中发现和测量同位素

南京大学天文与空间科学学院 昨天

一国际天文研究团队首次探测到系外行星大气中的 碳同位素13C ，并发现其相对含量高于地球标准（图1）。这有助于研究者们追溯此类行星的形成与演化 历史 。相关研究论文（标题为“The 13CO-rich atmosphere of a young accreting super-Jupiter”）于2021年7月15日在《自然》（Nature）杂志发表。该论文的第一作者 张雅鹏 2017年本科毕业于 南京大学天文与空间科学学院 ，现为荷兰莱顿天文台博士研究生。

图1: 探测系外行星大气中的同位素（想象图） Daniëlle Futselaar

1穆朗玛峰 应用广泛的同位素 同位素（isotope）是指同一化学元素的不同种类。这些同位素虽然质子数目相同，却有着不同的中子数目。例如，包含6个质子以及6个中子的碳原子是最常见的12C，但也有碳原子含有7个或8个中子，称为13C或14C。虽然它们的化学性质相近，但各种同位素的形成过程和对环境的反应却不尽相同。因而，同位素被广泛应用于各种研究领域——从癌症、心血管疾病的检测，到气候变化以及化石年龄的推断等。天文学家亦利用同位素来研究恒星与星际介质的演化，太阳系以及系外行星的起源。

2

丰富多样的系外行星

迄今天文学家们已发现超过四千颗系外行星，并且这一数字仍在迅猛增长。而绝大多数系外行星却与我们太阳系内的行星有着巨大的差异。它们或有着极高的质量（例如，“超级木星” super-Jupiter），或占据着的极近的轨道（“热木星” hot-Jupiter）……系外行星的多样性给行星形成理论带来了新的挑战。许多最基本的问题仍困扰着天文学家：行星的形成路径究竟是自上而下，还是自下而上？它们形成于何处？轨道是否迁移？……解开这些谜题的钥匙之一便是系外行星的大气成分，它们如同化石遗迹一般记载着这些行星遥远的过去。

图2: 行星形成环境示意图。行星诞生于恒星周围的原行星盘中，一氧化碳CO是碳元素的主要载体。CO雪线代表CO为气态或固态的分割线。位于CO雪线内侧的两颗行星代表太阳系木星和海王星当前的位置，而TYC 8998 b则远位于CO雪线之外。在如此遥远的距离，大部分CO冻结在固态物质表面，成为行星形成的主要原材料。由于13C更易结合在固态表面，导致最终构成的行星中更富含13C。

3 用同位素追溯系外行星起源 研究者们利用欧洲南方天文台（ESO）的甚大望远镜（VLT），发现在一颗名为TYC 8998-760-1 b的超级木星大气中两种碳同位素的比例不同寻常。这颗行星的重量几乎是太阳系木星的14倍，距离地球300光年。这是天文学家们首次实现对遥远系外行星中同位素的观测。他们利用不同的光谱吸收信号分辨出13CO和12CO（一氧化碳分子的两种同位素形式），并测定两者的相对含量。天文学家们预期星际介质中13C和12C的含量比例约为1:70，但这颗行星大气中的13C却要多一倍。这颗行星大气中13C的“超标”，为我们揭示其可能的起源过程提供了线索 （图2）。张雅鹏解释说：“这颗超级木星距离其宿主恒星十分遥远，是日地距离的160多倍。在如此远距离下，原行星盘（protoplanetary disk）中更多的13C冻结在固体物质表面。而这些固体物质被诞生于此的行星所吸收，造就了如今观测到的富含13C的大气”。 因此，通过测定大气中同位素相对含量，研究者们得以追溯行星形成的位置以及周围的物质环境。

该论文的通讯作者、莱顿大学教授Ignas Snellen说：“这一发现为研究系外行星大气与行星形成之间的关联开辟了一条新的路径。今后，天文学家们将会把同位素观测扩展到多样化的系外行星系统中，向揭秘行星起源更进一步。现在，这仅仅是个开始！”

恒星形成是宇宙物质由暗（光学意义）到明（恒星及星系）的关键步骤。从1796年拉普拉斯的星云假说开始，过去了两个多世纪后，恒星形成领域终于在20世纪的第一个十年通过E.E.Barnard开创的宽视场成像（Barnard,1907,1919,ApJ）进入实测（靠谱+有钱）学科。

Barnard认证的“暗云”，至今都是本领域研究的重要对象，例如著名的B68 （Alves et al., 2001,Nature）被揭示具有经典的流体力学压力平衡密度结构Bonnor-Ebert轮廓。又例如基于我们首次捕获到的正在诞生的暗云B227（Zuo et al., 2018 ,ApJ “Catching the Birth of a Dark Molecular Cloud for the First Time”）。这两个工作分别研究了Barnard认证的第68个和第227个暗云。

拉普拉斯及其太阳系星云起源假说示意图

暗云之为暗，是由于尘埃消光，但其主要成分是气体。1951年星际中性原子氢气（HI）的发现，确立了其为星际介质的主要成分之一。20世纪60年代，Hollenbach和Salpeter的研究明确了氢原子在星际尘埃表面‘复合’成为分子氢。60年代四大天文发现之一的星际一氧化碳（CO）分子，使得难以探测的分子氢气得以现形，揭示暗云都是分子云。七八十年代，空间天文兴起，红外巡天确定了年轻恒星诞生于分子云。至此一个恒星诞生的完整图景基本完成。

恒星诞生过程

分子的辐射集中在毫米射电波段。恒星形成领域的天文学家从80年代初就开始推动大型毫米波阵列（MMA），经过几次10年规划、多边国际谈判、无数次高原反应，MMA演化、成长为当今地面天文设备的巨无霸——ALMA。到目前为止，ALMA观测用时最多的领域是恒星形成及星际介质，由最初的新兴成为主流显学。

90年代末，我在纽约上州的农村苦读学位，一把剪刀对付一月头发。现在回想起来，那时的手艺为今年的COVID-19疫情宅做了准备。村里有让胡适挂科的农场，自产牛奶和冰激凌。村边有“手指湖”（Finger Lakes），古冰川凿穿岩石深达数百米，与秋光一起烂漫至天际，非常适合思考恒星形成之三大经典问题：磁场问题、湍流问题、角动量问题。

至今，三大问题无一解决！

三大问题的本质是多数量级尺度跨越中的能量转移机制。从几千光年的弥散星际介质到百万公里腰围的太阳，缩水了几百亿倍。如果星际介质中的磁场在具有一定电离度的气体中冻结，其能量密度将远高于分子云所拥有的重力势能。磁场将阻止恒星形成。星际介质中遍布超音速的湍流。湍动对抗质量相吸的重力，直到在数万天文单位或更小的尺度，热运动才达到或超过湍动，使所谓的致密云核可能整体塌缩，开启新一代太阳的星途。

星际介质包裹中的太阳系

磁场、湍流如何耗散缺乏实证，数值模拟里面普遍直接忽略或者做生硬的量纲假设。人类距离物理解释恒星形成尚远。角动量问题是三大问题中相对简单的一个。大尺度的星际介质包含或者演化成为许多子结构。宏观的角动量不必等于局域角动量之和。

90年代以来，特别是哈佛大学天体物理中心Myers和Goodman关于暗分子云核的系列工作，确立了从分子云核中心向外延展5万亿公里左右（这个尺度范围被称为亚光年尺度），在这个范围内角动量已经远远小于重力势能或磁场能或湍动能，而后三者处于能量均分状态。

能量均分也可能是暗云磁流体的一个基本性质。我们刚刚发表了对北天6个分子暗云中云核角动量的研究（Xu et al., 2020,ApJ）。在计算过程中，考虑了此前同类工作忽视的云核密度分布，因而导出了更为真实、数值更小的角动量，进一步验证了在亚光年尺度角动量已经不再影响云核整体塌缩的动力学。从亚光年尺度到恒星尺度（百万公里），角动量虽然不再影响整体塌缩的动力学，但是依然需要被大量耗散，才能加速物质吸积。一般认为外向流是角动量耗散的重要途径。

星际介质，特别是分子暗云中，各个层级的结构逐步紧实，最终小宇宙爆发点燃核聚变成为恒星。这一句话的星途，包含了多种基本物理、化学过程和环境变化：磁场、湍流、重力、热运动、等离子体、辐射转移、宇宙线、尘埃演化、无机-有机化学等等相互耦合，纠缠不休。

经过了一个世纪和多次新设备之重大突破，恒星形成的科学描述还主要是唯像的：巨分子云集群（Giant molecular cloud complex）到分子云（cloud）到云块（clump）到云核（core）到年轻星周盘（protostellar disk）加外向流(outflow)，最终由于某种神秘力量阻止吸积确定原恒星质量，并且整体达成那个统一的更为神秘的初始质量函数（IMF）。

恒星形成的唯像描述

星际云的形状柔弱多变，但是到了即将塌缩踏上星途的云核，就圆润起来，在物理学家眼里都是球，亦如物理学家眼里的牛。这个叙事过程朴素可爱：“现在的日子是鸡，长大了就变成了鹅；鹅长大了, 就变成了羊；羊长大了, 就变成了牛；等牛长大了, 就是共产主义了......”

物理牛

如何实现太阳诞生这样“共产主义”的理想？2009年，人类 历史 上最大的单体空间望远镜（大过但是轻于哈勃）赫歇尔天文台的发射升空，带来了革命性的进步。

作者近期相关论文发表于：

美国《天体物理杂志快报》Xu et al. 2020, ApJL，DOI:10.3847/2041-8213/ab8ad7，作者：徐雪芳，李菂, 戴昱等

美国《天体物理杂志》Xu et al. 2020, ApJ，arXiv:2006.04309，作者：徐雪芳，李菂, 戴昱等

中国《天文与天体物理研究》 Yue et al. 2020, RAA，arXiv:2006.04168，作者：岳楠楠，李菂, 张其洲等

英国《皇家天文学会月报》 Zhang et al. 2020, MNRAS accepted, arXiv:2006.13410, 作者：张超，任志远, 吴京文等

参考文献：

Alves, J.F., Lada, C.J., & Lada, E.A. Internal structure of a cold dark molecular cloud inferred from the extinction of background starlight. 2001, nature, 409, 159

Barnard E.E. On a nebulous groundwork in the constellation Taurus. ApJ, 1907, 25:218-225.

Barnard E.E. On the dark markings of the sky, with a catalogue of 182 such objects. ApJ, 1919, 49:1-24.

Hacar, A., Tafalla, M., Forbrich, J., et al. An ALMA study of the Orion Integral Filament. I. Evidence for narrow fibers in a massive cloud. 2018, ApJ, 610, A77

Hollenbach, D., Salpeter, E.E. Molecular Hydrogen Formation on Grains in H I Regions. 1969, BAAS, 1, 244

Li, H.-X., Li, D., Qian L. et al. 2015, Outflows and Bubbles in Taurus: Star-formation Feedback Sufficient to Maintain Turbulence, ApJS, 219, 20

Tan, J. C., & McKee, C. F. 2004, The Formation of the First Stars. I. Mass Infall Rates, Accretion Disk Structure, and Protostellar Evolution, ApJ, 603, 383

Xu, X., Li, D., Dai, Y.S., et al. Independent Core Rotation in Massive Filaments in Orion. 2020, ApJL, 894, L20

Xu, X., Li, D., Dai, Y.S., et al. Rotation of Two Micron All Sky Survey Clumps in Molecular Clouds. 2020, ApJ, arXiv:2006.04309

Yue, N., Li, D., Zhang, Q., et al. Resolution-dependent Subsonic Non-thermal Line Dispersion Revealed by ALMA, 2020, accepted by RAA, arXiv:2006.04168

Zuo P., Li D., Peek J.E. G., et al. Catching the Birth of a Dark Molecular Cloud for the First Time. ApJ, 2018, 867:13.

作者简介：李菂，国家天文台研究员，从事天体物理和天文技术研究，撰写关于猎户座大质量“宁静”云核的系列论文，在美国天体物理杂志（ApJ）发表。

[ 责编：赵宇豪 ]

据报道；科学家预言未来70年灾难——黑洞吞噬地球。物理学家担忧美国纽约布鲁克哈文实验室的全球最大粒子加速器，将产生类似黑洞的高密度物质，把整个地球吞噬。宇宙射线大放射。银河系发生星体爆炸后，若宇宙射线包括伽马射线放射到地球，可导致气温急降，导致冰河时期出现。一、知识介绍：1、黑洞的含义； 黑洞，广义相对论所预言的一种特殊天体。它的基本特征是具有一个封闭的视界。视界就是黑洞的边界。外来的物质和辐射可以进入视界以内，而机界内的任何物质都不能跑到外面。2、黑洞的起源；两质子星22亿年前相撞，今年5月射线才到达地球。天文学家们成功地观测到了两个密度极大的质子星相撞后，诞生一个密度相对小的黑洞，星体相撞的地点距离地球220万光年，所以实际上相撞事件发生在22亿年前，而撞击产生的伽马射线直到今年5月9日才到达地球。这些伽马射线的余晖是在9日夜里被美国航空航天局X射线观测卫星、“褐雨燕”(Swift)发现的，“褐雨燕”卫星于2004年11月进入太空，其主要任务是通过观察宇宙伽马射线爆发探究黑洞的起源。3、黑洞的形成；黑洞是一种体积极小、质量极大的天体，在其强大引力的作用下，连光都无法逃逸。宇宙中已知的黑洞主要有超巨黑洞和小质量黑洞两类。4、黑洞主要特征是：（1）这个区域有很强的磁场和引力，不断吞噬大量的星际物质，一些物质在它周围运行轨迹会发生变化形成圆形的气体尘埃环；（2）它有很大的能量，可以发出极强的各类射电辐射；（3）由于它极大的引力作用，光线在它附近也会发生弯曲变化。二、舆论环节：1、在进入宇航时代的今天，世界各国已拥有各种先进的天文观测设备，如大口径配有极灵敏接受器的光学望远镜、大型射电天文望远镜、突破了地球大气层包围的哈勃空间望远镜等，天文观测已触及到距地球100亿光年以外的遥远天体，从河外星系到宇宙尘埃都可以一览无余，甚至像几万公里外一支小蜡烛那么微弱的光也能观测到，而唯独对“黑洞”却无能为力，确有些不合逻辑。如果它真是一种质量、密度很大，磁场、引力极强的“天体”，为什么至今看不到它的庐山真面目呢？答；原因很简单，“黑洞”并不是一种实体星球，而是宇宙天体运动时产生的各种“磁场旋涡”现象，它的能量、射线辐射主要都是由磁场引力作用产生的，因为它的构成物质密度非常稀薄，光波发射极其微弱，所以根本无法在远距离用光学仪器观察到它的形状，按其形态和性质说来它倒真是一个名副其实的“黑暗磁场旋涡洞”。2、黑洞为什么能爆发呢？会不会给人类有没有影响呢？按照大爆炸宇宙学，在宇宙早期可能形成一些小质量黑洞，一个质量为1015克的黑洞，其空间尺度只有10-13厘米左右（相当于原子核的大小）。小黑洞的温度很高，有很强的发射。有一种模型认为，高能天体物理研究所发现的一些高能爆发过程，也许就是由这些小黑洞的发射及其最终的爆发引起的。可能会破坏地球，给人类带来灭亡！三、图意展示：1、他们发现了一个巨大的黑洞，该黑洞的大小相当于整个太阳系，吞进的星体质量相当于3亿个太阳，引起的气体喷发是迄今为止科学家在宇宙中发现的最大的。2、黑洞 “艺术照”，它正吞噬着气体和尘埃盘，在另一面成为超热气流的尘埃盘被喷射出去。它不断吞噬宇宙物质来壮大自己。四、内容设想：如果“黑洞”是一种物质构成密度非常大的“天体”，那么，在“黑洞”与物质密度相对极小的宇宙空间两者应该是有分界面的。根据光的反射、折射原理，当光投在两种物质的分界面会有反射和折射现象的，这一点已经从宇宙中所有不发光天体都能够反光得到证实，无一例外，所以，从“黑洞”不能反射光线这一点说明“黑洞”虽然有很强的吸引力，但是它的物质构成密度非常稀薄，还不足以达到反射光线的程度（并不是光线由于被它吸引无法脱离而不能反射），当光线与它相遇时，只能是穿它而过了，没有明显的光反射和折射现象，因此也就无法通过光学观测直接看到它的形状，而只能用其它天文观测方式，通过“黑洞”急速旋转运动中产生的极强各类射电辐射来证实它的存在五、分析总结：游览了“宇宙黑洞”相关知识，其实黑洞跟我们人类心系相关的。值得我们关注。未来的我们会对黑洞回进一步的研究了解。不但开阔视野，而且我们获得了一些宇宙知识。我们不仅学到了知识，而且我们提高了没有解决问题的能力，团结能力。宇宙黑洞 最古老最大的黑洞新浪科技讯 据印度报业托拉斯报道，英国剑桥大学的物理学教授斯蒂芬-霍金是现代宇宙黑洞学说的奠基人，被人们誉为当代的爱因斯坦。 30多年来，霍金和他的追随者们一直认为，部分巨型恒星大爆炸产生了宇宙黑洞，而且，黑洞可以将不慎跌入其中的所有物质吞噬殆尽，就连光和其它宇宙信息也无法逃脱黑洞吞噬的“厄运”。 8月,三星与您激情奥运 斗三国与众将一拚高下 海纳百川 候车亭媒体 无限下载MP3你作K王 然而，有一位印度理论物理学家却对霍金的这一开创性理论提出了质疑，他就是设在印度第一大城市孟买的巴巴原子研究中心的物理学家阿布哈斯-米特拉。米特拉认为，宇宙黑洞根本不可能存在。 早在4年前，米特拉就在《物理基金快报》杂志上发表了一篇关于质疑黑洞理论的论文。米特拉在这篇引起颇多争议的论文中指出，霍金的黑洞理论存在着明显的缺陷，宇宙黑洞是不可能存在的，因为霍金所阐述的黑洞的形状和存在方式与爱因斯坦的广义相对论根本不相符合。 米特拉的论文发表后，除少数一些学界人士表示赞同外，大多数主流科学家对他的观点表示不屑一顾。直到现在，仍然没有哪一位科学家撰写论文与米特拉进行辩论。出于学术考虑，米特拉特意邀请包括霍金本人、贾延特-纳里卡尔等在内的著名黑洞理论学家对他的论文发表意见，但没有一人接他的招。 岁月不断流逝，霍金的黑洞理论终于被他本人推翻了。2004年7月中下旬，霍金在爱尔兰首都都柏林召开的一次学术会议上自己承认，“从绝对意义上说”，黑洞是根本不存在的。 至此，敢于向权威物理理论学家提出质疑的印度物理学家米特拉被证明是正确的；从另外一种意义上说，米特拉战胜了霍金。新浪科技讯 近日国际天文学家通过美国宇航局斯皮策太空望远镜的一项最新观测结果，在宇宙中某一狭窄区域范围内，首次同时发现了多达21处却一直深度隐藏着的宇宙“类星体”黑洞群。 这一重大发现第一次从正面证实了多年来天文学领域有关宇宙中有数目众多的隐身黑洞广泛存在的推测。充分的证据使人们相信，在浩瀚的宇宙中，的确充满着各种各样未被发 现的巨大引力源泉--"类星体"黑洞群体。有关该项最新发现的详细内容，研究人员已撰文正式刊登在了2005年8月4日出版的《自然》杂志中。 “深藏不露”的类星体 我们知道在现实中的宇宙黑洞，由于其巨大的引力作用，连光线都被紧密吸引束缚，因而无法被人们直接观测发现。为确定黑洞天体存在的证据，天文学家通过研究发现，在黑洞周围的物质行为具有其特定行为：在黑洞周围的宇宙空间中，气体物质具有超高的温度，并且在被黑洞强大引力场吸引剧烈加速后，这些物质在彻底消失之前均会被提升到接近光速。而当气体物质被黑洞彻底吞噬后，整个过程都会释放出大量的X-射线。通常正是这些逃逸出来的X-射线，显示出此处有黑洞确实存在的迹象。这便是以往人们发现黑洞的最直接证据。 而另一方面，在一些格外活跃的超大型宇宙黑洞周围，由于其对周边物质剧烈的吸引和吞噬行为，还会在黑洞星体外围产生一层厚重的宇宙气体和尘埃云层，这便进一步增大了对黑洞体附近区域的观测难度，阻碍了天文学家对这些超大黑洞存在的发现工作。天文学上将这些极度活跃的黑洞定义为"类星体"。普通情况下，一个类星体平均一年总共吞噬的物质质量，相当于1000个中等恒星质量的总和。一般情况下，这些类星体距离太阳系都非常遥远，当我们观测到他们时已经是亿万年以后的现在，这说明此类黑洞的活动出现在宇宙诞生初期。科学家推定，这种黑洞正是在成长壮大中的宇宙星系前身，所以将其命名为"类星体"。 到目前为止，只有为数不多的几个"类星体"黑洞被发现，在浩瀚的宇宙深处，是否还有数量众多的其它类星体存在，仍有待人们进一步去发现，而天文学家在该领域的研究工作则完全依靠对宇宙内部X-射线的全面观测研究来予以证实。 “充满”了黑洞的宇宙 近日，来自英国牛津大学的阿里耶-马丁内兹-圣辛格教授在介绍其首次对宇宙间隐藏黑洞的发现时说，"从以往对宇宙X-射线的观察研究中，本希望能找到宇宙中大量隐藏类星体存在的证据，但结果确都不尽如人意，令人失望。"而近日根据美国宇航局NASA的斯皮策太空望远镜(Spitzer Space Telescope)的最新观察结果，天文学家则成功穿透了遮蔽类星体黑洞的外围宇宙尘埃云层，捕捉到了其中一直暗藏不露的内部黑洞体。由于斯皮策太空望远镜能够有效收集能穿透宇宙尘埃层的红外光线，使得研究人员顺利地在一个非常狭窄的宇宙空间区域内，同时发现了数量多达21个早已存在却又"隐藏不露"的类星体黑洞群。 来自美国加州理工大学斯皮策科学中心的研究小组成员马克-雷斯在接受媒体访问时同时也表示，“如果我们抛开此次发现的21个宇宙类星体黑洞，放眼宇宙中的其它任何区域，我们完全可以大胆预测，必将有数量众多隐藏着的黑洞将会被陆续发现。这意味着，一如我们原先推测的那样，在不为人知的宇宙深处，一定有数量众多、质量超大的黑洞巨无霸，正借助着星际尘埃的隐蔽，在暗地里不断发展壮大着。”(Sabrina) 计算机模拟揭开黑洞食量之谜 -------------------------------------------------------------------------------- 2005年02月24日 11:14 科学时报 新华社电 黑洞有着吞噬一切的恶名，但黑洞贪婪的食量并非永无止境。是什么因素限制了黑洞的食量与体重？德国和美国科学家最近对两个星系相撞并融合的过程进行了计算机模拟，为解答这一问题提供了线索。 如今观察到的多数大星系，中央都盘踞着质量达到几百万乃至几十亿个太阳质量的巨大黑洞。但在对几十个星系进行观测后科学家发现，星系中央黑洞的质量大概是星系中所 有恒星总质量的五百分之一，不会长得更大。 德国马克斯-普朗克天体物理学研究所和美国卡内基-梅隆大学的科学家用超级计算机模拟了早期宇宙里两个星系相撞的情形。这是人们第一次在模拟中发现星系中央黑洞合并的破坏性效果。在大约1亿年的时间里，黑洞质量不断增长，将更多气体燃料吸引到自己身边，气体在向黑洞靠近时变得更热、更明亮。这样，融合后的星系核就成了一个类星体。 科学家解释说，按照模拟结果，大黑洞在经历称为“类星体”的成长阶段时，周围炽热的气体物质会爆发，产生一股强大的宇宙风，将绝大部分气体尘云从黑洞附近乃至整个星系里刮走，抛入深空。放完这个巨大的宇宙焰火之后，黑洞没有了食料，质量不再增长；星系也没有了制造恒星的原料，恒星不再诞生。星系成熟了，世界清静了。 类星体是一种极其明亮的天体，它于上世纪60年代首次被发现。由于看起来很像恒星，又发出强烈的射电波，因而被称为“类恒星射电源”，中文译作类星体。经历了长时间争论后，许多天文学家现在认为，类星体的本质是剧烈活动的星系核。在那里，炽热气体在跌入巨大黑洞的途中发出强烈的射线，使得远在几十甚至上百亿光年外的我们也能看到。 科学家们在英国《自然》杂志上发表论文指出，模拟显示星系中央黑洞质量与星系中恒星总质量直接相关，这与观测结果相符，意味着黑洞可能是星系形成过程的密切参与者。但这只是一个简单的模拟，真正的过程极其复杂，他们目前还不明白类星体是怎样爆发出能量的.