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數字天文學
（2005年12月17日 13:42:35）
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□作者: 陳 丹
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通過望遠鏡，我們可以掌握宇宙中各種天體的模樣。但是，這些天體被濃濃的氣體覆蓋，即使是大型望遠鏡，也無法直接看見它們的內部結構。“數字天文學”就是經由電腦與理論，闡明我們通過望遠鏡看不到的天體內部結構。
20世紀60年代，天文學家開始正式使用電腦研究天文現象。他們首先計算宇宙中的元素合成，接著研究恆星內部結構與演化、星系撞擊、宇宙大規模結構的形成的行星形成等等
數字天文學繼歷史悠久的觀測天文學和理論天文學之後，可以稱為“第三天文學”。目前連日本也在推動“數字天文台計劃”，希望通過這種天文台，同時掌握“從微觀到宏觀的所有天文現象”，也就是闡明整個宇宙史。本文借助電腦繪制的天體模擬圖像，介紹數字天文學的眾多成果。
釋放X射線的雙星系統模擬 在雙星系統中，兩顆恆星因引力牽引而相互繞轉，有些恆星還會因為釋放出X射線而閃閃發光。雙星系統中的一顆恆星如果膨脹，氣體將自這顆恆星的表面流到另一顆恆星，流入另一顆恆星的氣體可能形成氣體圓盤。在釋放X射線的雙星系統中，吸引氣體的天體很可能是黑洞或中子星。膨脹的恆星與氣體圓盤的半徑大約是十萬到幾百萬千米，黑洞的半徑則為30千米左右。進行模擬時，必須考慮恆星（圖左的那顆星）與黑洞形成類似雙胞胎的雙星系統。大質量恆星隨著演化，會不斷膨脹；膨脹一旦超過恆星半徑的極限，恆星表面的氣體將流入黑洞，形成如圖右所示的氣體圓盤。氣體圓盤中也會形成磁場，起初磁場弱，隨著氣體旋轉，磁場將強烈扭轉。氣體受磁場扭轉影響而被拉過去，掉進黑洞。扭轉的磁場往往會再結合，而釋放出短閃光似的X射線。利用模擬所預測的X射線閃光，可以妥善重現我們所觀測到的黑洞天體亮度變化。
噴氣流從氣體圓盤發生的模擬 宇宙中到處可見這種噴氣流。新誕生的恆星和星系中央的黑洞，都可能噴出大小不同的高速噴氣流，這些噴氣流的噴出源頭就是氣體圓盤。為了方便讀者觀看噴口，這里只截取圓盤的一部分。綠色部分表示氣體圓盤（吸積盤）。由圓盤向上方與下方輻射延伸的黃色部分（部分呈紅色）是噴氣流。繪成藍色的磁力線可能負責使圓盤內循環的氣體流變成輻射狀，該磁力線將噴氣流絞緊，這反而加快噴氣流的速度。由于高速噴氣流會噴射到極遠處，我們通過望遠鏡即可看到被噴氣流擴大的天體。但是噴氣流的源頭很小，我們即使通過現代巨大望遠鏡，也無法直接看到。因此通過電腦模擬，探索看不到的噴氣流源頭，成了重要的研究方法。
噴氣流形成的模擬 宇宙中有許多天體會噴出高能的噴氣流。在噴出噴氣流的天體中央附近，一定可以找到旋轉的氣體圓盤，因此解開噴氣流形成之謎的鑰匙可能就在氣體圓盤。
進行模擬時，首先必須設定垂直並貫穿于圓盤的磁力線。圓盤中的氣體為帶電的等離子體，與磁力線強烈結合，雙方合成一體運動。氣體每環繞原恆星旋轉1圈，磁力線也隨之扭轉一次。扭轉的磁力線與扭轉的橡皮筋一樣，會恢復原狀，當扭轉松開的時候，氣體便自圓盤的上下方噴出；這可能是噴氣流通過磁場由圓盤噴出的基本機制。
根據目前的模擬，噴氣流的速度為氣體從中央星的脫離速度的數倍。中央星的引力越大，氣體的脫離速度越快，噴氣流也以越快的速度噴出。我們只要觀測氣體噴出速度，即可探索噴流的源頭天體擁有多大的引力。
超新星爆發的模擬 超新星爆發是大質量恆星臨死前的大爆炸，可以大致分為兩類，這里所指的是屬于Ⅱ型的極重恆星爆發現象。Ⅱ型超新星爆發時，氣體將因爆發受熱膨脹，而形成沖擊波。
圖1為超新星爆發時表面部位的模擬。圖片中的密度用顏色表示，密度越高，顏色越紅；密度越低，顏色越藍。由模擬可以看出，隨著沖擊波發生和傳播，將出現若干蕈狀結構；仔細看圖片右上方的淡煙狀部位，還可以發現微小的渦流結構。
圖2為只計算爆發時發生在表面狹窄範圍的模擬，盡管大小完全不同，還是形成了蕈狀結構。因此可以知道爆發過程中，存在“使小渦流結構在大渦流結構中生成，小蕈狀結構在大蕈狀結構中生成”的機制。這些渦流結構和蕈狀結構，是由源自恆星中央的氣體與周圍氣體混合而成。
恆星形成的模擬 新恆星從星系內氣體濃厚的分子雲中誕生。分子雲中高密度的雲核會受本身引力影響而收縮。分子雲收縮後，引力更大，密度越發上升，從而開始形成恆星。
從收縮的分子雲核中誕生的恆星數目不一，同時誕生兩顆的幾率比誕生一顆的幾率高。為什麼如此，原因尚不清楚。為此，研究人員進行了數字模擬︰他們改變“分子雲核旋轉的速度”與“旋轉速度的晃動”，調查誕生的恆星數如何變化。他們發現旋轉越快，離心力的作用越強，所形成的圓盤越大；旋轉速度的晃動越大，所形成的圓盤越容易崩潰而變形為棒狀。變成圓盤狀、棒狀的分子雲分裂之後，恆星將從該處誕生。恆星不僅從圓盤中央誕生，也從形成圓盤的旋臂部位誕生。
誕生的恆星只有太陽質量的百分之一；隨著不斷吸收周圍的氣體，它們將逐漸成長為主序星。只是並非所有誕生的恆星都能順利成長。它們之中有些會與其他恆星合為一體；有些則在充分成長之前從分子雲核釋放出來；有些甚至在充分成長之前，就失去周圍氣體。這些模擬呈現出恆星由誕生到經歷1500年的狀態，並假想恆星必須花上數十萬年才能充分成長。
圓盤中的氣體墜入中央黑洞的模擬 圖中綠色部分的氣體稀薄，紅、黃部分的氣體濃厚，藍色部分的氣體最濃。紅色磁力線集中在氣體濃厚部分，氣體圓盤如果沒有磁場，氣體將在離心力與引力平衡處不斷旋轉。氣體圓盤如果擁有磁場，氣體多半會流進中央黑洞；這是因為圓盤中的氣體受到磁場牽引的緣故。圖片所示為磁場以某種程度牽引氣體的狀態。
太陽表面突出的日珥模擬 這3張電腦模擬圖再現了日珥上升的情況，管狀線都是磁力線。圖1中藍色的管狀線都是磁力線。圖2、3是從側面看氣體上升的情形︰紅色磁力線因與紫色、綠色弧狀磁力線重疊而被推到上方，使得物質也朝上方飛去。圖4是實際觀測到的日珥，太陽上空可以看見受到磁場支撐的懸浮氣體。隨著該氣體（日珥）急速上升，有些甚至突出太陽。這些數字模擬完善地重現了觀測結果，這些現象可能都與磁場有關。
氣體墜入黑洞（比太陽重10倍）的模擬
氣體以藍色表現。圖1為整體情形，所描繪的大約是8000千米見方的範圍，在中央的黑色洞穴中，有約黑色洞穴一半大的黑洞存在。圖2為中央附近（紅框所圍部分）的放大圖。氣體先環繞黑洞，呈面包圈狀分布；然後逐漸墜入黑洞，而擴展成圓盤狀；隨著時間逝去，再變成更薄的圓盤。旋轉中的氣體為什麼會墜入黑洞？有關這個現象的物理機制，長久以來一直是個謎。根據計算，磁場奪走了氣體旋轉能，氣體遂墜入黑洞。
宇宙的“再電離”模擬
根據理論，宇宙始于大爆炸，大爆炸之後，宇宙急速膨脹、冷卻。在急速膨脹、冷卻的過程中，最初分散（處于電離狀態）的質子與電子開始結合，不久後形成氫原子（這時宇宙的大小為現在的千分之一）。等到宇宙的大小為現在的十分之一時，類星體、恆星誕生，類星體、恆星釋放出的紫外線又使構成氫原子的質子與電子分散（再電離）。研究人員通過這個模擬，探索中性氫（氫原子）氣體受到紫外線從四面八方照射後，如何引發再電離。電離的中性氫所佔比例。用紅色到黑色表示︰紅色表示根本未電離，黑色表示完全電離。中性氫越稀薄（圖中近淺黑色處），越容易電離。觀測類星體，也能推測未完全電離的氣體量。研究人員從這個模擬所求得的未完全電離氣體量與觀測類星體所推測的量大致吻合。
太陽耀斑前端為何呈尖形 太陽耀斑可能是“從太陽內部呈柞面包圈狀飛出的磁力線”復雜相連時所產生的爆炸現象。研究人員根據理論預測，發生太陽耀斑的柞面包圈狀磁力線上部呈尖形，實際模樣則由日本“陽光號”太陽X射線觀測衛星首次成功拍攝（見圖2）。圖1是該情況的電腦模擬。圖中白線表示磁力線，箭頭表示氣體流，顏色表示溫度分布，綠色表示高溫氣體。左區磁力線朝上，右區磁力線朝下。像這樣方向不同的磁力線彼此緊鄰的情形，在宇宙中經常發生。方向不同的磁力線彼此緊鄰，到了交界處（圖的中央部分），將出現磁力線重疊現象。這時所產生的能量施加于氣體，就會發生尖處爆炸。
圖3為“太陽號”所攝太陽表面放大圖，從圖中可看到小噴氣流（從影像中央朝右上方流動）自太陽噴出。圖４則是該小噴氣流的模擬。從太陽內部浮起的磁力線（下方曲線群）與周圍磁力線（上方直線群）重疊，這時所產生的能量傳給氣體，從而形成高溫氣體噴流。
在處理天文學上的宏觀現象時，將帶電粒子流當作流體處理，較易掌握整體情況，計算方面也較為簡單。在研究對象的範圍非常小時，也可將電粒子流作為粒子集合來計算。圖5就是采用粒子模型，模擬方向不同的磁力線彼此緊鄰的狀態。該粒子模型不僅可以像流體模型一樣，重現磁力線重疊，還可以調查部分帶電粒子快速運動的情形。粒子模型需要更多的計算，但是卻可以重現流體模型所無法掌握的現象。
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文章作者:陳 丹
責任編輯:skylook
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