恆星是如何形成的？

我們知道它們是由被稱為分子云的巨大結構組成的，而分子云本身是由星際介質（ISM）形成的。但是某些型別的恆星是如何以及為什麼形成的呢？為什麼在某些情況下，會形成像太陽這樣的恆星，而不是紅矮星或藍巨星？

這是天文學的核心問題之一。這也是一個非常複雜的問題。

ISM是一個星系中太陽系之間的物質和能量。當ISM分裂成稱為分子云的巨大氣體雲時，恆星的形成就開始了，分子云是恆星的前身。科學家們對星際湍流在碎片化過程中扮演的角色以及它如何影響最終形成的恆星型別存在疑問。

ISM與恆星有著複雜的關係。在恆星形成之後，它們最終會透過超新星、行星狀星雲和恆星風將物質返回ISM。這種在恆星和ISM之間的往返決定了一個星系的恆星形成速率和恆星形成壽命。

星際湍流在這一切中起著核心作用。一項新的研究模擬了ISM是如何形成分子云的。這項新研究的作者對這種湍流進行了迄今為止最高解析度的超級計算機模擬。這項研究發表在《自然天文學》雜誌上。

ISM中的湍流不僅決定了恆星的形成速率，也決定了形成恆星的型別。從這個意義上說，它也會影響行星的形成。所以，研究湍流直接與行星有關，甚至與生命有關。ISM在恆星之間的空間中不是均勻分佈的。它的分佈類似於煙霧的上升、下降。據該研究的作者稱，湍流是理解氣體如何碎片的關鍵。

圖中顯示了湍流模擬的一個截面。顏色表示密度相對於氣體平均密度的對比。它的紊流結構清晰可見。特別是，大量的激波鋒面出現，可以透過密度從高密度到低密度的急劇變化辨認出來。

ISM中的湍流與煙霧中的湍流有相似之處。兩者中的大尺度湍流都傾向於向小尺度湍流級聯。但這種比較並不完美，因為ISM非常脆弱，每平方釐米體積只有1到100個粒子。顯然，煙的密度要大得多。

在稀薄的ISM中，湍流能量瀑布下降到比在煙霧中更小的尺度，不僅因為它有多稀薄，而且因為ISM有非常低的粘度。最終，這種級聯將湍流運動的速度從超音速降低到音速。當湍流超過這個閾值時，氣體雲就從湍流主導變為重力主導。這一切發生的時間和方式決定了分子云稠密核的大小。正是這些稠密的核心導致了恆星的形成。

這張圖片上顯示的區域被稱為北極星耀斑，這是小熊座的一個塵埃和氣體區域，距離地球490光年。它顯示了幾個纏繞在一起的星際細絲，它們在太空中延伸了幾十光年。

從湍流主導到重力主導的轉變是雲中一個物理位置，儘管有理論預測，但過渡區的位置、形狀和寬度都是未知的。

“物理過程是如此複雜，它們的相互作用只能在計算機模擬的幫助下進行研究，”該研究的合著者、來自海德堡大學的拉夫·克萊森教授說。

費德拉斯和他的同事們模擬了超音速和音速尺度兩側的湍流。氣體雲內部湍流的動力學及其複雜，需要強大的計算能力來模擬。費德拉斯在一份新聞稿中解釋說：“在我們的特殊模擬中，我們想要跟蹤超音速和亞音速湍流級聯，聲級介於兩者之間，我們必須在空間範圍內解決至少四個數量級的問題。”

這是研究團隊模擬影片的截圖

根據研究小組的說法，他們的模擬取得了巨大的成功，證實了理論預測。他們能夠找到超音速和音速之間的過渡區域的位置，並且能夠量化它的寬度和形狀。他們還發現，這種轉變並沒有清晰地描繪出來，而是發生在一個很大的範圍內。

不僅如此，他們還將模擬結果與觀測到的銀河系氣體雲進行了比較。這些觀察證實了他們的發現。

更廣泛的天文學研究團體已經注意到了這個團隊的工作。加州大學伯克利分校天文系的克里斯托弗·麥基和新澤西州普林斯頓高等研究院的詹姆斯·斯通在《自然天文學》雜誌上發表了一篇關於這項研究意義的新聞和觀點文章。

恆星的形成在天體物理學中是至關重要的，它不僅導致了在宇宙中觀測到的恆星的不同範圍，而且（間接地）導致了行星和黑洞的形成，重元素的產生，透過輻射、風和超新星的反饋來激發星際介質和環星系介質，甚至是星系的演化。

這是一張哈勃拍攝的船底座星雲全景照片，展示了恆星風和來自大質量恆星的電離輻射對誕生恆星的分子云的湍流效應。

由於分子云和恆星形成的時間尺度，它無法透過觀測進行研究。它只能透過模擬來解決，模擬的結果可以與觀測結果相比較，就像在這項新研究中一樣。超音速湍流複雜而非線性的結構使得數值實驗對於理解恆星形成的物理過程至關重要。

​計算能力的快速發展使這些型別的模擬成為可能，對於研究這個問題的科學家來說，強大的計算機和同樣強大的軟體的發展正在推動理解的前沿。雖然開發能夠充分利用這類系統的科學軟體將是一個重大挑戰，但未來用計算方法調查天體物理學的廣泛問題，包括恆星形成，仍然非常光明。