神秘黃球和新星星的誕生有何關係？

星星是從哪來的呢？人類思考這個問題已經有幾千年了，也提出了很多不同的解釋，但直到最近幾十年，科學家才有了能觀測恆星起源的技術。恆星是在冷的塵埃雲中誕生，我們無法藉助肉眼或可見光望遠鏡看到塵埃雲。幸運的是，有很多儀器可以記錄肉眼看不到的光，並通過我們熟悉的顏色將其呈現出來。即使是非常冷的物體也會發射紅外光，所以紅外光可被用來探索恆星的誕生。「銀河計劃」是一項世界各地的人們參與的重要科學項目，通過搜尋紅外圖像，探索某種「神秘黃色球」的演化早期階段。

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「給少年的科學前沿」系列（13）

作者格蕾絲·沃爾夫-蔡司、查爾斯·克爾頓（美國芝加哥阿德勒天文館，美國愛荷華州立大學物理和天文系）

翻譯 林一平

編輯/校對 李娟 丁家琦

賽先生「中小學生評審」張及晨為本文提出了修訂意見，並撰寫了點評。

小黑板

星際介質：在星系中的恆星之間發現的瀰漫的塵埃和氣體。星際介質中最冷最密的地方就是可以形成恆星的地方。這些區域對可見光來說是不透明的，所以在我們星系的光學照片上呈現為暗區。

紅外光：一種波長比可見光更長的光。紅外光波長較長，意味著它可以比可見光更容易穿透星際介質中的塵埃區。

斯皮策空間望遠鏡：哈勃空間望遠鏡的小「表弟」，斯皮策包含一台直徑0.85米的望遠鏡，外加設計用於觀測紅外光的儀器。它由美國航空航天局在2003年發射進入地球牽引軌道繞太陽運行。

太陽風：從太陽上流出的高度磁化的帶電粒子流，主要是質子和電子。太陽風的運動速度一般為幾百千米每秒。

原恆星：一團巨大的、球狀的、正在收縮形成恆星的、聚集的氣體和塵埃。原恆星的核心還沒有緻密和高溫到足以引發核聚變反應。一旦聚變反應開始，這顆原恆星就成為了恆星。

人人都可以參與的科學項目

現代科學產生了大量的數據。有時候一個科學項目產生的數據量會非常龐大，以至於光是一名科學家，甚至一個科學家小團隊都不能在合理的時間內處理完。在這種情況下，專業科學家會尋求熱心的「公眾科學家」的幫助。他們針對一個實際的科研課題設計出科學項目，藉助很多人的眼睛（或耳朵）來完成項目目標，所有參與這些科學項目的人都可以被稱為「公眾科學家」（citizen scientist）。目前，在宇宙動物園網站上[1]，已彙集了三十多個科學項目，共有130萬公眾科學家參與，這其中就包括「銀河計劃」，公眾科學家可以通過該項目幫助研究我們的星系中的恆星形成。

美麗無邊的銀河系

太陽屬於銀河系，這是一個非常大的恆星團體。銀河系形狀扁平，像一個巨大的盤子。如果你在很暗的地方仰望過夜空，你也許會留意到一條橫貫天空的明亮光帶（見圖1），這條光帶就是由位於銀河系的銀盤上的大量恆星組成的。大部分恆星對人眼來說都過於暗弱，無法單個地分辨出來。在地球上最黑暗的地方，你也許能夠看到幾千顆恆星，在小鎮上，你也許可以看到幾百顆，在大城市裡也許只能看到幾十顆。實際上，我們的星系裡有幾千億顆恆星（千億=100,000,000,000），但即使你用最強大的望遠鏡也只能看到其中的一小部分，這是因為星際介質，或者說是恆星之間的空間，包含了大量的氣體星雲和塵埃雲。最冷和最密的星雲會擋住其內部和後面的恆星的星光。

圖1. 銀河。天文學家約瑟·弗朗西斯科·薩爾加多於2010年5月20日在美國加州雪松平原拍攝了這張銀河系中心的照片。照片下方是由23面射電望遠鏡組成的毫米波天文研究組合陣列（CARMA）。（來源：美國芝加哥阿德勒天文館）

隱藏的恆星誕生地

恆星誕生於星際介質中最緻密、塵埃最多的區域，這個區域無法用一般望遠鏡來進行研究。幸好，紅外光可以通過星際介質中的塵埃區域，在最近幾十年里，天文學家們研製出了對紅外光敏感的望遠鏡和探測器，來探測較冷的天體、窺探星雲內部、研究恆星如何誕生。恆星誕生初期，新恆星溫度過低，不能發出可見光，在紅外波段卻可以明亮地閃耀。隨著恆星的形成，它釋放更多的熱，在可見光波段越來越亮。不過，這些可見光被周圍星雲的塵埃所吸收，無法離開星雲，只有紅外光可以穿過星雲，並且會使周圍的塵埃也變熱，使得它們在紅外波段也變得明亮。因此，可以使用紅外光來研究形成中的恆星和它的周邊環境[2]。

圖2展示了銀河系的一部分的紅外圖像。你在看到它的時候可能會想，既然這些光線人眼都看不到，又如何把它們製作成圖像呢？很簡單，使用威力強大的計算機程序，就能將紅外顏色轉換成可見光的顏色（通常是藍綠紅）。不同顏色的光代表不同組成成分的天體及其物理狀態（比如溫度）的信息。在圖2的紅外圖像中，每個藍點代表一顆恆星，由特定類型的氣體分子和塵埃組成的星雲則顯示為綠色和紅色。當兩種或者更多的顏色在圖像中疊加就得到不同的色彩。比如，綠色疊加上紅色可以成為黃色（見圖2中的小插圖）。

圖2. 紅外視角下的銀河。這張圖朝向銀河星系中心的那部分，使用藍綠紅分別表現斯皮策空間望遠鏡捕捉到的紅外光。其他顏色是這三種顏色的疊加（見左下小圖）。（來源：美國航空航天局、加州理工噴氣動力實驗室、威斯康星大學）

「銀河計劃」的主要目標，就是處理斯皮策空間望遠鏡拍攝的紅外圖像。科學家們創立這一計劃項目是為了獲得普通大眾的幫助，以對成千上萬的紅外圖像中揭示的信息進行分類和研究。公眾科學家按照指示檢視圖像，幫助專業科學家完成研究目標。

驚人的發現

我們要求公眾科學家尋找的圖像特徵就如同你在圖3最右圖中所看到的一樣[3]：有著綠色邊緣的紅色圓（或者橢圓）。紅色主要代表細小的塵埃顆粒，綠色主要代表由很多氫原子和碳原子組成的溫暖的氣體。就像一個三維空間中的球在二維圖像中看起來是個圓一樣，在二維圖像上，紅綠色的特徵看起來像是圓圈，而實際上在三維空間中，這些圓圈更像是「泡泡」。

圖3. 一個「泡泡」的演化。圖中從左到右依次闡釋了圍繞年輕大質量恆星的「泡泡」的演化階段。中間圖展示了由公眾科學家發現的「神秘黃球」階段（來源：美國航空航天局、加州理工噴氣動力實驗室）

這些「泡泡」是由大質量（比太陽質量大約十倍以上）的年輕恆星輻射產生。來自恆星的「風」則把周圍的星雲「吹開」。這種「風」並不像人們在地球上體驗到的風，而是微小帶電粒子組成的流，就像由電子和質子組成的太陽風一樣。「泡泡」內的氣體被年輕的恆星加熱到極高的溫度，氣體的分子結構被破壞，只有一些塵埃粒子倖存下來。這就是為何圖像中泡泡內部是紅色的，而有分子倖存的邊緣則是綠色的。

雖然「銀河計劃」中的公眾科學家搜尋的是泡泡的圖像，但是他們注意到很多圖像上都有小的、近圓形的黃色物體，它們是什麼呢？科學家讓公眾科學家繼續做標記，搜尋更多樣本，以對其做進一步研究。因為圖像中的黃色是紅色和綠色的疊加，科學家猜測這種被稱之為「神秘黃球」的物體，可能是大泡泡「更年輕時」的樣子，那時候年輕恆星附近的多數氣體分子還沒有被破壞[4]。

圖3左側兩張圖展示了泡泡演化的早期階段。最左圖中長長的暗區域是非常冷的星雲，冷到紅外望遠鏡都探測不到。在一部分這類星雲中，引力強到可以把冷氣體和塵埃拉到一起形成新的恆星。暗區域中的紅點表示原恆星正開始加熱塵埃的區域。原恆星就像是嬰兒恆星，隨著周圍物質被引力拽到一起，它不斷繼續長大。這種嬰兒階段大概會持續1萬年。當原恆星足夠熱之後，圍繞它們的物質開始膨脹，塵埃和氣體分子都開始發出紅外光，製造出一個黃球（見圖3中間的小圖），大概能持續10萬年。大部分黃球比太陽系大，但是比太陽到最近的其他恆星之間的距離要小，每個黃球可能會產生幾十個甚至幾百個恆星。

大約百萬年以後，黃球會變成圖三右圖所示的成熟的泡泡。幾百萬年之後，泡泡自身也會消失，成為一般的星際介質，留下新形成的恆星，成為銀河系銀盤的一部分。

點綴在星雲中的幾百顆恆星

天文學家和業餘天文愛好者最愛的獵戶星雲，是銀河系中離我們最近的大質量恆星形成地，它向我們展現了一個泡泡在幾百萬年之後會是什麼樣子。在夜晚，獵戶星雲可以產生可見光，你是否用小望遠鏡或者雙筒望遠鏡仰望過它？在這片星雲中，有為星雲提供動力的幾顆大質量恆星，有帶著較冷物質盤並可能形成行星的幾百顆小恆星（與太陽相當），還有更大質量的恆星。圖4顯示了哈勃空間望遠鏡拍攝的獵戶星雲[5]，其中包括目前正在形成的行星系統的放大圖。

我們有理由相信，約50億年前，在類似獵戶星雲的環境中誕生了太陽系，搞清楚泡泡如何演化，將幫助我們理解當年地球是在什麼條件下形成的。

圖4. 獵戶座大星雲中正在形成的行星系統。該圖由哈勃空間望遠鏡拍攝的獵戶星雲的可見光圖像構成。每張放大圖展現一個正在該星雲內形成的行星系統。最上方的放大圖中的行星系統約為太陽系大小（約60億英里=約97億公里），整個星雲有若干光年大小（一光年約為6,000,000,000,000英里=6萬億英里=9.7萬億公里），距離太陽約1500光年。（圖片來源：美國航空航天局、歐洲空間局、M. 羅伯托（空間望遠鏡科學研究所/歐洲空間局、哈勃獵戶寶藏項目組、L. 里奇（歐洲南方天文台））

是「尤里卡！」還是「那很有趣」？

找到反映重要特徵的最佳紅外色彩組合，是研究星團演化最早階段的關鍵。如果使用另外一套紅外色彩，黃球可能就不醒目了。天文學家總是想要儘可能多的看到不同顏色的光，但儀器不可能面面俱到。在建造天文儀器之前，科學家們需要思考什麼樣的儀器才能獲取更多信息，以便更多地了解目標天體。斯皮策空間望遠鏡圖片上的紅外色彩被選來考察泡泡這樣的特徵，但科學家當時並不知道這種色彩能將年輕的黃球階段呈現得這麼好！

艾薩克·阿西莫夫（Isaac Asimov）是二十世紀著名科幻小說作家，他曾說：科學中可以聽到的最激動人心的短語、新發現即將來臨的預示，不是「尤里卡！」（古希臘語「找到了」的意思，出自阿基米德發現浮力定律的故事，譯者注）而是「那很有趣」。感謝公眾科學家的好奇心，包括第一位覺得「那很有趣」並把關於黃球的想法與他人分享的人，現在這類研究對象已多達1000個。根據這個目錄，天文學家可以進行下一步觀測計劃，揭示黃球演化成為恆星「託兒所」的過程，以及像地球這樣的行星是如何誕生的。

參考文獻：

[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青少年評審：

弗里達（16歲）

你好，我是弗里達，我是芝加哥阿德勒天文館的一名藝術家和實習生。

泰勒（16歲）

我是泰勒，我是阿德勒天文館的一名公眾科學實習生。我將成為萊恩技術學院預科高中三年級學生。

賽先生青少年評審：

張及晨（17歲，來自北京一零一中學，高二學生）

簡介：從小熱愛科學探索，尤其對天文學科有濃厚的興趣，曾參加過8年全國中學生天文奧賽並多次獲得金牌，三次入選中國國家隊，代表國家參加多項國際學科奧林匹克競賽並均獲獎牌，現為北京市中學生天文聯盟主席，入選「英才計劃」在清華大學物理系天體物理中心學習天文科研，研究成果論文已在國內外學術論壇賽事上獲獎。

點評：

本文介紹了一個由公眾科學家參與的研究工作。最近，AlphaGo橫掃圍棋世界冠軍的新聞，關於人工智慧（AI）的議論甚至是「恐慌」又出現了高潮。然而，儘管計算機技術不斷提高，在科研中依舊有很多工作程序無法替代人類，例如本文提到的對於圖像信息的識別。隨著大數據時代的來臨，越來越多的數據需要靠大量的公眾科學家們來高效處理，這種項目也是個科普的好途徑。讀者們也可以嘗試參與一些，或許未來的某個諾貝爾獎獲獎研究里，就有你的微小的貢獻。

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