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2018-06-01星星的搖籃—分子雲
582 期
Author 作者
陳惠茹／國立清華大學物理碩士；美國加州大學柏克萊分校天文博士；研究著重於高質量恆星與大型星團如何由分子雲內誕生。
仰望夜空，浩瀚無垠的宇宙中，有著數不盡的星星，而在這些恆星之間的黑暗空間中，實際上存在許多雲氣 狀態的物質，稱為「星際介質（interstellar medium,ISM）」。一般而言，這些雲氣不會發出明亮的可見光， 較難察覺其存在，但卻是培育恆星與其所屬行星的搖籃，也是宇宙物質演化循環中，不可或缺的一環。
星際介質的多種相態
隨著環境不同，星際介質會受到各種吸熱與散熱的作用，而處於不同的物理狀態，稱為「態」。目前已知存在數種不同的態，基本上是以氫原子的狀態來區分，如熱電漿態、暖電漿態、暖中性態與冷中性態。不同的態彼此間以相似的壓力達成平衡，而共存於星際空間。大致上來說，吸熱過程有許多來源：如吸收恆星發出的高能量輻射、宇宙射線的散打穿透、衝擊波如超新星爆炸、恆星風攜帶的能量等。而散熱過程主要是以原子、分子或塵埃的輻射放光作用來冷卻，平衡吸熱與散熱的過程決定了一個態的溫度。
在壓力相等的前提下，由理想氣體方程式可得知，溫度低的態，密度自然就高，而密度最高的態，就是「分子雲 （molecular clouds）」。 顧名思義，其主要的組成已是氫分子，溫度大致上在10~20 K之間，平均密度約在100 個分 子∕公分3 左右。分子雲內部的緻密核（dense cores）， 密度更可達到106 個分子∕公分3。因為分子雲的密度非常高，重 力的作用較為明顯，尤其緻密核更是恆星星團的誕生地。分子雲的規模有大有小，最大的巨分子雲（giant molecular clouds, GMCs）總質量可上達107 太陽質量，也就是1034 公噸。分子雲是宇宙物質分布中一個很特殊的態，佔了整體空間中不到1%，卻是許多物理現象交互作用的所在。
重力、紊流與磁場交相輝映的舞台
大致來說，重力是萬有引力，處處存在，但若只有重力的作用，所有的雲氣就會在極短的時間內塌縮，進而形成大量的恆星，但觀測上並沒有看見這樣的現象，所以在不同的尺度上，應有其他的作用與重力相互抗衡，延緩重力聚集質量的效率，預告了紊流與磁場的存在。分子雲內部有著極為複雜的質量分布與動力學結構，基本上是紊流、磁場與重力交相作用的產物。數年前由歐洲主導的赫修（Herschel）衛星在紅外線波段的觀測發現了分子雲的層級絲狀結構（filaments），密度高的部分多呈現絲 條狀的型態，且對外連結密度較低的垂直絲狀結構，顯示紊流與磁場對分子雲的結構有重要的影響。近年來，阿塔加瑪大型毫米∕次毫米波望遠鏡陣列（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA）更大為提高觀測的解析度，不僅確認絲條狀結構的存在，更進一步探討絲條狀結構可能是由更細微的次結構所組成。
分子雲內的溫度極低，以10 K來說，聲速僅有0.2 km∕s，也是熱運動所造成的分子譜線線寬，但實際 觀測到譜線線寬往往遠大於熱運動的值，因而推斷超音速紊流（supersonic turbulence）普遍存在於分子雲內。根據紊流造成似碎形般的氣體分布，估計維度約在 2.3左右。早期拉森（Richard B. Larson）整合了數種分子譜線的觀測結果後，發現因紊流造成的譜線線寬 （Δv）與分子雲的尺度（L）有明顯的正比關係，即「拉森法則（Larson’s law，下頁圖一）」。
這種亂運動與尺度間的關聯性，恰恰符合能量分布遵循柯爾莫戈洛夫紊流（Kolmogorov turbulence）的特性 （圖二）。紊流的能量分布隨著尺度縮小而降低，由大尺度的結構驅動紊流，透過紊流漩渦的特性，將能量層級傳遞向較小的尺度結構，最後消散在最小的尺度 上。不同尺度上的能量，正比於測量尺度的5/3次方。
磁場普遍存在於宇宙中各種物理系統內，小至地球等行星、太陽與恆星，大至巨大星系，都受到自身磁場的影響。星際空間內當然也有磁場的存在，強度一般約在10-5高斯左右。近年來，由高靈敏度的普朗克（Planck）衛星量測的全天磁場走向圖，顯示許多分子雲周遭與內部的磁場結構。一般而言，物質傾向於沿著磁力線流動，因而匯集到條狀結構內，但有時也會拖曳磁場，改變磁場的型態。……【更多內容請閱讀科學月刊第582期】