恒星形成时到底发生了什么？

Lachlan Lancaster 是西蒙斯研究员协会的初级研究员。

和我们中的许多人一样，拉克兰·兰开斯特 (Lachlan Lancaster)仰望夜空，欣赏它的美丽和神秘。但与我们大多数人不同的是，他也试图去理解它。作为哥伦比亚大学的天体物理学家，他致力于了解夜空中的所有星星实际上是如何形成的。几十年来，研究人员已经获得了关于这一过程的重要知识，但关键问题仍然存在。在致力于揭示恒星形成的复杂性的同时，兰开斯特也在挑战传统智慧。

Lancaster 是Simons Society of Fellows 的一年级初级研究员，与哥伦比亚天文学系的 Greg Bryan 一起工作。他拥有博士学位。在普林斯顿大学获得天体物理学博士学位，并在卡内基梅隆大学获得物理学学士学位，主修天体物理学。

兰开斯特和我最近谈到了他的工作及其对该领域的影响。为清楚起见，我们的对话已经过编辑。

 

是什么激发了您对天体物理学的兴趣？

在我 11 岁或 12 岁的时候，我看了 PBS 特别节目The Elegant Universe ，改编自 Brian Greene（顺便说一句，他是哥伦比亚大学的教授）的同名书。格林对宇宙的美丽和复杂性的介绍让我惊叹不已。在我生命中的那个时候，我已经对物理学产生了兴趣，但我并没有专注于天文学的职业——至少现在还没有。

快进到卡内基梅隆大学。当我开始本科学习时，我是哲学和物理学的双学位。虽然我的研究本身并不以天体物理学为重点，但我仍然对解决有关宇宙本质的基本问题感兴趣。在我继续学习的过程中，我有一个激动人心的机会与我的本科生导师马修沃克一起进行天体物理学研究。这是我对像沃克博士这样的天文学家正在努力解决的复杂问题的理解，也是我对天体物理学的兴趣和热情得到充分实现的时候。

我认为很多物理学家，包括我自己，都是出于对宇宙基本定律的兴趣而受到启发而从事物理学研究的。因此，我们经常被高能物理理论的研究所吸引——弦理论是一个充满活力的领域的典型例子。对我来说，物理学的这个分支可能有点令人沮丧，因为它涉及发展很难检验的理论。今天，天体物理学家拥有强大的望远镜和复杂的模拟，这使我们能够以许多不同且令人兴奋的方式检验我们的理论。

请描述你的博士工作。

在普林斯顿，我研究了非常大的恒星——质量是太阳质量的 10 到 100 倍，亮度可能是太阳的一百万倍——如何影响邻近恒星的形成。

从广义上讲，当巨大的气体和尘埃云随着时间的推移由于引力而自行坍缩时，恒星就会出现。当一颗大质量恒星在这些云中形成时，它非常明亮，有时可以吹散它起源的气体云。

随着这种气体云的分散，未来形成其他恒星的可能性降低，从而形成一种负反馈循环。了解反馈回路如何工作的细节是一个非常复杂和令人兴奋的挑战。事实上，许多来自 NASA 的詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST) 的最引人注目的图像捕捉到了这一过程的快照。

恒星形成区域 30 Doradus 的图像，也称为狼蛛星云，位于附近的大麦哲伦星云星系中。这张照片是由詹姆斯·韦伯太空望远镜在红外光下拍摄的。你可以看到星云中心非常明亮的星团，以及它们周围由反馈过程产生的气体“洞”。图片来源：NASA、ESA、CSA、STScI、Webb ERO 制作团队。

驱动这个反馈循环的最重要过程之一是所谓的恒星风，这是我在普林斯顿工作的主要焦点。当恒星如此明亮以至于它们最终脱落了自己的大气层时，就会出现这些风。大约 40 年来，天文学家一直在使用球形、均匀的模型来绘制恒星风如何排出恒星外层的地图。但正如我们从 JWST 图像中看到的那样，恒星形成区域不是球形的——它们非常混乱。

提出原始模型的天文学家不得不做出大量简化假设，这在很大程度上是因为他们没有必要的计算工具来检验这些假设。现在我们可以同时使用强大的望远镜和复杂的模拟来收集更多关于这些恒星形成区域的数据。这些数据可以帮助我们制定更好的假设，从而使我们能够构建更复杂的模型。在我的论文中，我着手发展一种关于恒星风如何影响周围环境的新理论，该理论考虑了恒星形成区域的实际混乱情况。

你发现了什么？

当事情一团糟时，东西往往会混在一起。在恒星风的情况下，这可能会产生严重的后果。当风离开恒星时，风移动得非常快，大约每秒数千公里。当这种风撞击周围的气体云时，它会经历一个称为冲击加热的过程，使其温度达到约 1000 万开尔文——比太阳表面热一千倍。这种风的热度对于它推动周围气体和驱散云层的效率至关重要。

有趣的是，与这些恒星风相邻的气体温度要低得多，只有 100 开尔文，相当于寒冷的零下 173 摄氏度。由于这个系统中的一切都非常混乱，来自恒星风的超热气体与周围超冷的气体混合，导致其温度上升到温暖的 10,000 开尔文。但是在这个温度下的气体最终会发出逃离系统的光波长。这会从系统中移除能量，在短时间后冷却所有东西。

在我的工作中，我进行了模拟，证明这种冷却可以大大降低恒星风的能量。最重要的是，我在最近关于所谓的分形混合层的工作的基础上，开发了一个模型来描述这种混合和冷却是如何发生的。

这是该领域的新想法吗？

是的，从某种意义上说，它推翻了先前的球形模型。但与前几代天体物理学家相比，我拥有更强大的望远镜和计算工具，因此我不必做出那么多假设。我也可能是错的！最后，我的工作是一个理论，总是可以被新的研究推翻。事实上，在哥伦比亚，我现在正在努力挑战自己，看看我在普林斯顿提出的建议是否仍然有效。

为何如此？

我的普林斯顿模型不包括我们知道是恒星形成的一部分的两个额外因素：电离辐射，它起到加热和平滑背景冷气体的作用，使它变得更加均匀，以及强磁场，作为一种将气体固定在一起的橡皮筋，有助于防止不同部分的气体混合。

我将这两个因素添加到我原来的模拟和模型中，看看它是否改变了画面。到目前为止还没有；我在哥伦比亚大学开发的模拟看起来和我之前开发的一样，这让我很吃惊。但现在还为时过早，所以情况可能会改变。

哈勃太空望远镜拍摄的球状星团 NGC 362 的图像。图片来源：欧洲航天局/哈勃和美国国家航空航天局

你的长期目标是什么？

尽管我最近专注于恒星风，但我最初受到启发是通过称为球状星团的物体来研究恒星形成。这些星团极其密集且非常古老；它们形成于宇宙历史的早期。我们知道球状星团已有将近 250 年的历史，但我们仍然不知道它们是如何形成的。我的长期目标之一是帮助揭开这些星团从何而来的谜团。

 

最后，您对 Simons Junior Fellowship 有何看法？

我还在第一年，已经习惯了开发自己的研究项目的现实，这是新的，不同于研究生院的结构。

鉴于这一新现实，来自西蒙斯研究员协会内部的社区非常受欢迎。它以一种独特且难以有机复制的方式将来自许多不同领域的人们聚集在一起。另一个积极的方面是，我知道我在哥伦比亚的研究得到了三年的全力支持，使我能够完全专注于我的研究问题——对此我深表感谢。