或许宇宙大爆炸不是一切的开始,只是无限个多元宇宙的分支!
虽然每个人都听说过宇宙大爆炸,但没有人能自信地说出它是什么样子的。毕竟,重述时间的开始不仅仅是要找到正确的词语,而是找到正确的物理–自从大爆炸进入流行词汇以来,物理就一直是个模糊的概念。
围绕一颗年轻恒星旋转的气体和灰尘盘,行星是在这样的圆盘中降生的,然则它们形成的确切细节仍然是天体物理学家猛烈争论的话题。 要造一个星球可不容易。 一开始,一片气体和灰尘围绕着一颗新生恒星旋转。盘中的岩石和矿物以某种方式群集在一起,最终形成一个完整的天下。但灰尘颗粒到底是若何粘合在一起的,一直困扰着科学家们。静电力会形成鹅卵石巨细的团块,但这一历程在更大的尺度上逐渐消逝,更大的物体在碰撞时反弹或碎裂,而不是粘合在一起。一定另有其余器械在指导着行星的早期生长,但又是什么呢? 这个谜团的一个潜在谜底泛起在约莫十年前,那时,现供职于亚利桑那大学的天体物理学家安德鲁·尤丁(Andrew Youdin)和普林斯顿大学的杰里米·古德曼(Jeremy Goodman)发现,在圆盘上拖拽气体的旋转灰尘,可以形成行星的种子。尤丁和古德曼称他们提出的行星构建机制为“流动不稳定”。 尤丁说,灰尘的行为类似于竞赛中骑自行车的人若何将阻力降到最低。这是我们现在领会行星形成历程的最佳方式之一。这种阻力指导颗粒形成星团,然后通过自身的引力迅速塌缩成固体,形成伟大的块状,群集在一起形成完整的行星巨细的星球。加州理工学院的天体物理学家菲利普·霍普金斯(Philip Hopkins)示意:“已往十年里,我们开展了大量事情,由于(流动不稳定性)有可能代表着我们对行星可能若何形成的明白上的突破。”
但现在可能有更多的故事。 在最近的一系列论文中,霍普金斯和他的加州理工学院同事乔纳森·斯奎尔(Jonathan Squire)形貌了灰尘若何在气体中拖曳,发生了深远的影响,逾越了行星形成的圆盘,扩展到整个宇宙中。圆盘中的气体会使围绕灰尘的颗粒减速,从而使其他粒子在它们的后面堆积起来。这些堆积起来的粒子可以在气体中发生尾迹,吸引四周的粒子。凭据电磁场的存在或不存在等条件,灰尘可以在种种尺度上形成团块、片状、细丝或其他结构。 这一历程被称为“共振阻力不稳定”,是包罗流动不稳定在内的更普遍的一类征象。它们都依赖于与拖曳力的相同的相互作用,但流动不稳定是发生在行星盘上的一种特殊情况。然而,理论上,阻力不稳定应该发生在有灰尘和气体的地方,好比黑洞和恒星周围,甚至在星际空间深处。霍普金斯说:“每当你试图在气体中移动粒子时,这种不稳定就会泛起。”这种不稳定性可以在某些星球朽迈和殒命,以及火山灰若何在行星大气层中沉淀的历程中施展重要作用。 特别是,研究人员发现了一种新型的阻力不稳定性,
独一无二的太阳系:请叫我宇宙锦鲤
很多证据表明太阳系是一个非常怪异的所在。太阳系拥有木星和土星两颗巨行星。相比之下,只有大约10%的类日恒星系统存在一颗巨行星,拥有两颗巨行星的更是凤毛麟角。除了巨行星,太阳系还有水星这样的“小不点”,个头只比地球的卫星大一点。
这种不稳定性也可能发生在形成行星的圆盘上。在这个被称为“沉降不稳定”的历程中,灰尘在盘内沉降时可能群集成同心圆环,这可能会增添流动不稳定性,并加速行星的快速形成。霍普金斯说:“普遍的感受是,我们需要的不仅仅是流动不稳定性。很多人忧郁的是,这种特殊的不稳定可能发生的详细环境异常狭窄。”流动不稳定性在粉尘含量极高的环境中最有用,在这种环境中,只有一定数目的颗粒尺寸稳定在气体中的薄薄的磁盘中。只有一小部分形成行星的圆盘可能相符这些尺度,然而统计数字解释所有恒星都有行星。从理论上讲,其他像霍普金斯和斯奎尔的提议那样由阻力驱动的行星形成机制,好比沉降不稳定,可以填补这一差异。 加州理工学院的天体物理学家康斯坦丁·巴特金(Konstantin Batygin)说:“行星的形成是人类最大的知识点之一,若何形成团块这个问题困扰了这个领域几十年。事实是,对于最小的碎片是若何形成的有了一个新的熟悉,我以为这是一个异常重要的突破。” 其他人则不那么一定。普林斯顿的天体物理学家吉姆·斯通(Jim Stone)说,流不稳定性已经相当普遍,而且饰演了云云大的角色,以至于它似乎不需要任何辅助。
然而,研究人员一致以为,需要做更多的事情来研究霍普金斯和斯奎尔的机制及其意义。特别是需要更好的计算机模拟来模拟特定的场景,若何在更现实、更动荡和更杂乱的条件下发生和演化。霍普金斯说,这样的模拟已经在进行中。尤丁说,此外,新的射电望远镜观察行星形成盘的模糊的焦点,也可能提供更多的证据支持或反对像沉降不稳定这样的历程。 斯通说:“这项事情真正有趣的是他们统一了数学。”他指出,阻力不稳定性,包罗流动不稳定性,基本上是相同的。最令人兴奋的是,这些征象可能正在整个宇宙中发生。 它们甚至可能发生在地球上。霍普金斯说,他和斯奎尔听到了火山学家的讲述,嫌疑他们眼见了火山灰雨点穿过地球大气层所发生的阻力不稳定性的证据。落下来的火山灰越多,遮挡的阳光就越少,减少了它对地球的冷却作用;那么,领会阻力不稳定性若何影响火山爆发,对于改善气候变化模子可能是异常重要的。 不外,在这一点上,阻力不稳定性研究还没有最终解决任何谜团。尤丁说:“我以为这并不是封闭性的问题,而是真正为我们打开了新的视野。”
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