恆星誕生的網路

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恆星誕生的網路

——弗朗西斯·卡科尼茲（Franziska Konitzer）

在星團里有質量不同的恆星。小麥哲倫星雲中NGC346是一片恆星誕生的地方，在誕生的恆星中大部分是相對質量小的恆星，而少有大質量的恆星，這是為什麼呢？

在一個星族中恆星質量如何分布，是一個天文學家們從十年以前就開始研究的謎題。如今有兩位科學家提出了一個答案，這個答案並不是基於天體物理學得出的，而是基於網路科學。

總體的結論是是明確的：大部分小質量恆星和少部分大質量恆星。1955年，天體物理學家埃德溫·薩爾皮特（Edwin Salpeter）測量了太陽周圍恆星的光度和質量之後，得出了這個結論。Salpeter(1924-2008)，原籍奧地利，先後在澳大地亞和英國學習和研究，在1948年後就職於美國康奈爾大學。在他的記錄中，大約十倍太陽質量的巨大樣本數量遠遠小於近似太陽質量的樣本或者質量更小的紅矮星。那些大質量的恆星通常擁有藍色的光亮，內部氫的儲存量一般小於百萬年，最終會在一場壯觀的爆炸後變成超新星。而紅矮星則與之相反，它們能夠幾十億年穩定的發出紅色的光芒。

赫羅圖

不同於常識，天空中的恆星，藍色代表高溫，而紅色代表低溫。

基於計算，Edwin Salpeter對於0.4-10倍太陽質量的恆星建立了一個分布函數：

m是恆星的質量，N表示在該質量範圍內恆星的數量。把數學的語言翻譯過來大概就是：在一個恆星數量關於恆星質量的圖表中，曲線的斜率（dN/dm）與恆星的質量相關。

密度核的質量分布，在恆星誕生區域的觀測（紅）與科學家們給出的模型（藍）基本相符。也許下面兩位科學家在他們的研究領域已經找到了可以解釋恆星初期質量分布的方法。

Salpeter將指數α確定為-2.35。因此曲線下降的：大質量恆星遠遠少於小質量恆星。應該強調的是，這個函數只適用於恆星的初始狀態，也就是說在恆星誕生後不久的情況，對於大質量的恆星其內部還在進行主要的燃燒氫的過程。

Salpeter認為他的結論只適用於附近的宇宙中。但在接下來的觀測中，這個結論在其他星族和恆星誕生的區域似乎也適用。相比較實際的觀察，各處的小質量恆星更多一點而大質量恆星更少。初始質量分布方程（縮寫IMF, initial mass function）在大體上還是符合的。雖然科學家們知道，這個方程不太適合小質量的恆星（小於0.5倍太陽質量），但這僅僅只是指數α的問題。結合所有的觀測，這個數值大約是-2.3。

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破碎的分子雲

恆星誕生的基本情況都是一樣的：它們通常無一例外的誕生在那些幾百光年的巨大分子雲中。在我們的星系中，距離地球大約1500光年之遠的獵人腰間的寶劍—獵戶星雲，就是一個已知的例子。與星際間的介質相比較，巨大的分子雲更加密集，因為其中含有許多氣體和塵埃。星際介質將分子雲撕碎或者分子雲因為自身的重力結合形成新的恆星。

2017.3.21的APOD

獵戶座星雲M42，也是一片恆星誕生的區域。

通過分子雲的範圍，年齡或者氫氦的佔比，它們可以被完全的區分出來。因此人們可以推測，分子雲的性質對恆星誕生的影響，或者是分子雲之間的區別對恆星質量分布的影響。

美國密歇根州大學的安德列Andrei A. Klishin和莫斯科州立大學的Igor Chilingarian最近在學術雜誌《天文物理周刊(The Astrophysical Journal)》上，對於恆星誕生初期質量分布的情況發表了一個新的看法。它們的新思路並不是十分仰仗於天體物理學的基本思路與定則，更多是來自網路科學。

在過去的幾年裡，網路科學喚起了人們的研究熱情，因為它能解釋和描述眾多的現象，比如互聯網的數據連接、社會網路、電力網路或者還有蛋白質複合體之間的相互影響。

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分形的密度分布

氣體由於它的密度和速度分布，在星際介質中處於混亂的狀態。Klishin和Chilingarian的模型就是建立在這個事實基礎上的。由於混亂，氣體的密度分布是分形的。他們想到，這與地球上的雲，雪花甚至還有花椰菜十分的相似。由於擾動的星際介質使密度分布發生變動，從而會形成較為緊密的核。再由於重力，更多的物質聚集在核的周圍，最終形成原恆星。

描述這個過程用到了一個網路科學的方法，叫做「優先連接」（preferential attachment）。在Klishin和Chilingarian網路模型中緊密的分子核形成節點。節點間的連接通過引力結合。在隨機連接的過程中，會產生更多的優先連接。簡單的說：較大的節點會增大的更快。

星際間密度分布模型

為了解釋初期的質量分布Klishin和Chilingarian提出了一個分形模型，它展示了星際介質的三維密度分布。左圖展示了二維的分布。

在介質中微小的密度變動會形成密度中心。引力作用其中，箭頭所示是其方向和相對強度。

同左圖一樣，在同樣的模型中右邊的圖用不通的顏色標記了強度：白色表示百分之零的凈重力，全彩色表示百分十百。每個密度中心用一種顏色標記。

來自不同密度中心對於星際介質中小的氣團的引力方向通過箭頭表示出，其相對強度由線段長來表示。氣團收到引力的拉扯，部分融入進密度中心中，使中心密集區域變大。

Klishin和Chilingarian是否解決了恆星誕生初期質量分布的謎團，這還有待證實。但是他們跨學科的研究是擁有廣闊前景的。他們還想將他們網路科學的知識運用到其他的天體物理現象中去，例如在宇宙大尺度上的質量分布。

翻譯（德文）：系外行星地瓜君

校譯：解仁江

編排：邱煜欣

配樂：解仁江

責任編輯：解仁江

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