天體物理學中的俄羅斯套娃

俄羅斯套娃（圖片來源：http://dolls.pemadawa.com/russian-dolls/）

近日，哈佛大學天文系系主任、哈佛-史密松天體物理學中心（CfA）的著名天體物理學家Abraham Loeb與合作者Nia Imara在《自然·天文》（Nature Astronomy）創刊號上發表了一篇評論性文章，列舉了宇宙中幾類尺度遞減但結構相似的現象。這種相似性猶如大家熟悉的俄羅斯套娃——大娃娃體內放著一個小的娃娃，小娃娃裡面放著更小的娃娃，層層嵌套。《賽先生》將這篇有趣的文章翻譯為中文，以饗讀者。

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

譯者：王善欽（加州大學伯克利分校天文學系）、舒軼平（中國科學院國家天文台）

「當故事展開時，它讓我想起俄羅斯套娃——每一個裡面都包含著數不清的、更小的娃娃。」

——Carlos Ruiz Zafon 《風的影子》（2001）

俄羅斯套娃是這樣的：小的娃娃位於與其同樣形狀的大娃娃的肚子里，而大娃娃在更大的娃娃肚子里，如此等等。宇宙中也存在像俄羅斯套娃那樣的現象嗎？

有一個例子立即在（人們）腦海中浮現：原子中電子圍繞著原子核轉動，而由原子組成的行星繞著恆星轉動，恆星又繞著銀河系中心轉動。這個經典例子中的每一個「娃娃」都吸引了自己的科學家們的關注，但它們之間的相似性往往被忽略了。認識到這些尺度各異系統中的相似性，不僅可以讓人們獲得藝術方面的喜悅，還有可能揭示出主導這一相似性的根本原理。在不同尺度的系統中確認出共同點，是一門藝術，類似於探尋來自同一家族的親屬們共同的DNA特徵。

天體物理學中還有其它類似俄羅斯套娃這樣的例子嗎？我們能夠從它們的相似性中學到什麼？下面我們列出這樣的一些例子。

·盤中盤。我們的銀河系包含了一個由恆星和氣體組成的盤，這些恆星與氣體以 235 千米每秒的速度繞著共同的中心旋轉。在銀河系中心，有一個400 萬個太陽質量的黑洞；在這個黑洞周圍，又有一個恆星與氣體構成的、尺度更小的盤繞著它旋轉。在整個銀盤中，新形成的恆星嵌在圍繞銀心轉動的分子雲中，這些新的恆星周圍同樣也環繞著盤。在這些所謂的原行星盤中的氣體與塵埃會聚集並最終形成行星，正如50億年前我們的太陽系一樣。但也許這並不是這個天體物理盤系統套娃結構中最小的娃娃。最先進的模擬表明，行星在其演化的早期，被一個更小的氣體盤包圍著（見圖1中最小的娃娃）。未來的技術發展或許能讓我們探測到圍繞在初生行星周圍這樣的盤。

圖1. 天體物理學俄羅斯套娃——盤。從最大到最小的圖及其版權：旋渦星系M81（NASA）；人馬座A*與它的盤的模擬（A.E.Broderick & A. Loeb）；對原行星盤的觀測（S. Andrews/B. Saxton/ALMA）；對圍繞著行星的盤的模擬（James Stone 及其合作者，Princeton）。

小行星在圍繞行星的盤中形成、行星在圍繞著恆星的盤中形成，這些過程可能與銀盤中分子雲形成、圍繞著中心黑洞的恆星形成，有著本質上的共同點。通過掌握這些系統中某一個的通用的動力學過程，人們就能夠對其他系統的性質做出新的預測。

當然，在進行這一類比時，我們必須意識到銀盤與原行星盤的重要差異，包括溫度、磁場強度與氣體的電離狀態的差異。

·纖維中的纖維。在自身引力的作用下，宇宙中每一個過於稠密的區域都傾向於先沿著它的短軸坍縮——產生片，然後沿著第二長的軸坍縮——產生纖維，最後沿著最長的軸坍縮——產生緻密物體，如星系或者星系群。因此，彌散的星系際介質（intergalactic medium，IGM）通常呈現出片或纖維狀的形態，構成一張「宇宙網（cosmic web）」（如圖2），這被認為是宇宙大尺度結構的骨架。

圖2. 天體物理學俄羅斯套娃——纖維。從最大到最小各圖及其版權：對星系際纖維的模擬（Lars Hernquist 及其合作者，Harvard）；對銀河系內中性原子氫的觀測（P. M. W. Kalberla 等人）；對分子雲內的纖維的觀測（ESA/Herschel/PACS/SPIRE/V. Roccatagliata, U. München）；對（分子雲）纖維中的纖維的觀測（A.Hacar 等人）。

星系位於縱橫交錯的星系際纖維的扭結處，在星系內部，星際介質（interstellar medium，ISM）重複著上述的模式。例如，最近高解析度的觀測表明銀河系中恆星間的原子氣體呈現片和纖維狀的網路結構，其成因可能來自超新星爆發所產生的衝擊波。中性原子氣流的碰撞或者其他類型的不穩定性，觸發了最終將孕育恆星的冷暗的分子雲的形成。

近年來，赫歇爾太空望遠鏡（Herschel Space Telescope）的紅外觀測表明，分子雲散布在複雜的、秒差距尺度的細長、稠密的纖維狀結構中。一旦單位長度的纖維的質量超過一個臨界值，它就可能引發引力不穩定性並成為「前-恆星（pre-stellar）」核。（譯者註：1秒差距=3.26光年）

對星際纖維的觀測與模擬表明，嵌在其中的核正是通過這些纖維來吸積氣體而長大。類似地，宇宙學模擬表明，沿著星系際介質流動的氣體冷流為星系提供了恆星形成所需的大部分燃料。這類纖維狀「俄羅斯套娃」中還可能存在其它尺度的纖維狀結構。人們在對銀河系內分子雲的觀測以及星際介質的模擬結果中看到了疑似這類「纖維」的跡象。主流的解釋是：星系際介質中的大尺度纖維並不是簡單的圓柱狀結構，而是由錯綜複雜的纖維叢組成的；如果這些纖維叢進入引力不穩定狀態，它們最終會變碎裂為一個個核。

儘管形態上星系際介質纖維與星際介質纖維有類似性，它們的形成機制可能是相當不一樣的。宇宙學家的公認看法是：星系際介質纖維因引力不穩定性而產生，而分子雲內部的纖維可能由星際介質的磁流體動力學湍動壓縮導致。然而，星系際介質纖維的一些精細結構可能是由星系的外流導致的；正如同恆星反饋和湍動塑造出星際介質小尺度結構的方式。

·團中團。星系傾向於成團。每一個旋渦星系包含一個引力束縛的氣體盤，盤中的分子雲常常在彼此的引力作用下聚集成巨大的分子雲系統。雖然銀河系中最小的分子雲可能是被其周圍的星際介質的壓力束縛住，人們普遍認為，大質量的巨型分子雲是被引力維繫在一起的。被等級式地嵌套在分子雲裡面的是稠密的氣體核，而氣體核中最稠密的部分形成了星團。由此可見，長程的、沒有特徵尺度（scale-free）的引力在各種不同的成團尺度上得到了類似的體現。

對科學知識的追求不僅源於人類的好奇心與理解自然世界的渴求，更因為我們天性中對結構和對稱性之美的追求。建立起跨越學科邊界的關聯，不僅可以提升我們對美的洞察力，同時也使我們對宇宙的理解更加全面。反之亦然，隨著我們對宇宙的理解的加深，我們對宇宙的美的感知也更為深沉。

註：本文按照原文的 arXiv version 譯制，與《自然·天文》版本略有不同。

https://arxiv.org/abs/1701.03664（網站版）

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

原文第一作者Abraham Loeb（2015）

（圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Avi_Loeb#/media/File:AviLoeb15.jpg）

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