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数字天文学
（2005年12月17日 13:42:35）
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□作者: 陈 丹
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通过望远镜，我们可以掌握宇宙中各种天体的模样。但是，这些天体被浓浓的气体覆盖，即使是大型望远镜，也无法直接看见它们的内部结构。“数字天文学”就是经由电脑与理论，阐明我们通过望远镜看不到的天体内部结构。
20世纪60年代，天文学家开始正式使用电脑研究天文现象。他们首先计算宇宙中的元素合成，接着研究恒星内部结构与演化、星系撞击、宇宙大规模结构的形成的行星形成等等
数字天文学继历史悠久的观测天文学和理论天文学之后，可以称为“第三天文学”。目前连日本也在推动“数字天文台计划”，希望通过这种天文台，同时掌握“从微观到宏观的所有天文现象”，也就是阐明整个宇宙史。本文借助电脑绘制的天体模拟图像，介绍数字天文学的众多成果。
释放X射线的双星系统模拟 在双星系统中，两颗恒星因引力牵引而相互绕转，有些恒星还会因为释放出X射线而闪闪发光。双星系统中的一颗恒星如果膨胀，气体将自这颗恒星的表面流到另一颗恒星，流入另一颗恒星的气体可能形成气体圆盘。在释放X射线的双星系统中，吸引气体的天体很可能是黑洞或中子星。膨胀的恒星与气体圆盘的半径大约是十万到几百万千米，黑洞的半径则为30千米左右。进行模拟时，必须考虑恒星（图左的那颗星）与黑洞形成类似双胞胎的双星系统。大质量恒星随着演化，会不断膨胀；膨胀一旦超过恒星半径的极限，恒星表面的气体将流入黑洞，形成如图右所示的气体圆盘。气体圆盘中也会形成磁场，起初磁场弱，随着气体旋转，磁场将强烈扭转。气体受磁场扭转影响而被拉过去，掉进黑洞。扭转的磁场往往会再结合，而释放出短闪光似的X射线。利用模拟所预测的X射线闪光，可以妥善重现我们所观测到的黑洞天体亮度变化。
喷气流从气体圆盘发生的模拟 宇宙中到处可见这种喷气流。新诞生的恒星和星系中央的黑洞，都可能喷出大小不同的高速喷气流，这些喷气流的喷出源头就是气体圆盘。为了方便读者观看喷口，这里只截取圆盘的一部分。绿色部分表示气体圆盘（吸积盘）。由圆盘向上方与下方辐射延伸的黄色部分（部分呈红色）是喷气流。绘成蓝色的磁力线可能负责使圆盘内循环的气体流变成辐射状，该磁力线将喷气流绞紧，这反而加快喷气流的速度。由于高速喷气流会喷射到极远处，我们通过望远镜即可看到被喷气流扩大的天体。但是喷气流的源头很小，我们即使通过现代巨大望远镜，也无法直接看到。因此通过电脑模拟，探索看不到的喷气流源头，成了重要的研究方法。
喷气流形成的模拟 宇宙中有许多天体会喷出高能的喷气流。在喷出喷气流的天体中央附近，一定可以找到旋转的气体圆盘，因此解开喷气流形成之谜的钥匙可能就在气体圆盘。
进行模拟时，首先必须设定垂直并贯穿于圆盘的磁力线。圆盘中的气体为带电的等离子体，与磁力线强烈结合，双方合成一体运动。气体每环绕原恒星旋转1圈，磁力线也随之扭转一次。扭转的磁力线与扭转的橡皮筋一样，会恢复原状，当扭转松开的时候，气体便自圆盘的上下方喷出；这可能是喷气流通过磁场由圆盘喷出的基本机制。
根据目前的模拟，喷气流的速度为气体从中央星的脱离速度的数倍。中央星的引力越大，气体的脱离速度越快，喷气流也以越快的速度喷出。我们只要观测气体喷出速度，即可探索喷流的源头天体拥有多大的引力。
超新星爆发的模拟 超新星爆发是大质量恒星临死前的大爆炸，可以大致分为两类，这里所指的是属于Ⅱ型的极重恒星爆发现象。Ⅱ型超新星爆发时，气体将因爆发受热膨胀，而形成冲击波。
图1为超新星爆发时表面部位的模拟。图片中的密度用颜色表示，密度越高，颜色越红；密度越低，颜色越蓝。由模拟可以看出，随着冲击波发生和传播，将出现若干蕈状结构；仔细看图片右上方的淡烟状部位，还可以发现微小的涡流结构。
图2为只计算爆发时发生在表面狭窄范围的模拟，尽管大小完全不同，还是形成了蕈状结构。因此可以知道爆发过程中，存在“使小涡流结构在大涡流结构中生成，小蕈状结构在大蕈状结构中生成”的机制。这些涡流结构和蕈状结构，是由源自恒星中央的气体与周围气体混合而成。
恒星形成的模拟 新恒星从星系内气体浓厚的分子云中诞生。分子云中高密度的云核会受本身引力影响而收缩。分子云收缩后，引力更大，密度越发上升，从而开始形成恒星。
从收缩的分子云核中诞生的恒星数目不一，同时诞生两颗的几率比诞生一颗的几率高。为什么如此，原因尚不清楚。为此，研究人员进行了数字模拟：他们改变“分子云核旋转的速度”与“旋转速度的晃动”，调查诞生的恒星数如何变化。他们发现旋转越快，离心力的作用越强，所形成的圆盘越大；旋转速度的晃动越大，所形成的圆盘越容易崩溃而变形为棒状。变成圆盘状、棒状的分子云分裂之后，恒星将从该处诞生。恒星不仅从圆盘中央诞生，也从形成圆盘的旋臂部位诞生。
诞生的恒星只有太阳质量的百分之一；随着不断吸收周围的气体，它们将逐渐成长为主序星。只是并非所有诞生的恒星都能顺利成长。它们之中有些会与其他恒星合为一体；有些则在充分成长之前从分子云核释放出来；有些甚至在充分成长之前，就失去周围气体。这些模拟呈现出恒星由诞生到经历1500年的状态，并假想恒星必须花上数十万年才能充分成长。
圆盘中的气体坠入中央黑洞的模拟 图中绿色部分的气体稀薄，红、黄部分的气体浓厚，蓝色部分的气体最浓。红色磁力线集中在气体浓厚部分，气体圆盘如果没有磁场，气体将在离心力与引力平衡处不断旋转。气体圆盘如果拥有磁场，气体多半会流进中央黑洞；这是因为圆盘中的气体受到磁场牵引的缘故。图片所示为磁场以某种程度牵引气体的状态。
太阳表面突出的日珥模拟 这3张电脑模拟图再现了日珥上升的情况，管状线都是磁力线。图1中蓝色的管状线都是磁力线。图2、3是从侧面看气体上升的情形：红色磁力线因与紫色、绿色弧状磁力线重叠而被推到上方，使得物质也朝上方飞去。图4是实际观测到的日珥，太阳上空可以看见受到磁场支撑的悬浮气体。随着该气体（日珥）急速上升，有些甚至突出太阳。这些数字模拟完善地重现了观测结果，这些现象可能都与磁场有关。
气体坠入黑洞（比太阳重10倍）的模拟
气体以蓝色表现。图1为整体情形，所描绘的大约是8000千米见方的范围，在中央的黑色洞穴中，有约黑色洞穴一半大的黑洞存在。图2为中央附近（红框所围部分）的放大图。气体先环绕黑洞，呈面包圈状分布；然后逐渐坠入黑洞，而扩展成圆盘状；随着时间逝去，再变成更薄的圆盘。旋转中的气体为什么会坠入黑洞？有关这个现象的物理机制，长久以来一直是个谜。根据计算，磁场夺走了气体旋转能，气体遂坠入黑洞。
宇宙的“再电离”模拟
根据理论，宇宙始于大爆炸，大爆炸之后，宇宙急速膨胀、冷却。在急速膨胀、冷却的过程中，最初分散（处于电离状态）的质子与电子开始结合，不久后形成氢原子（这时宇宙的大小为现在的千分之一）。等到宇宙的大小为现在的十分之一时，类星体、恒星诞生，类星体、恒星释放出的紫外线又使构成氢原子的质子与电子分散（再电离）。研究人员通过这个模拟，探索中性氢（氢原子）气体受到紫外线从四面八方照射后，如何引发再电离。电离的中性氢所占比例。用红色到黑色表示：红色表示根本未电离，黑色表示完全电离。中性氢越稀薄（图中近浅黑色处），越容易电离。观测类星体，也能推测未完全电离的气体量。研究人员从这个模拟所求得的未完全电离气体量与观测类星体所推测的量大致吻合。
太阳耀斑前端为何呈尖形 太阳耀斑可能是“从太阳内部呈柞面包圈状飞出的磁力线”复杂相连时所产生的爆炸现象。研究人员根据理论预测，发生太阳耀斑的柞面包圈状磁力线上部呈尖形，实际模样则由日本“阳光号”太阳X射线观测卫星首次成功拍摄（见图2）。图1是该情况的电脑模拟。图中白线表示磁力线，箭头表示气体流，颜色表示温度分布，绿色表示高温气体。左区磁力线朝上，右区磁力线朝下。像这样方向不同的磁力线彼此紧邻的情形，在宇宙中经常发生。方向不同的磁力线彼此紧邻，到了交界处（图的中央部分），将出现磁力线重叠现象。这时所产生的能量施加于气体，就会发生尖处爆炸。
图3为“太阳号”所摄太阳表面放大图，从图中可看到小喷气流（从影像中央朝右上方流动）自太阳喷出。图４则是该小喷气流的模拟。从太阳内部浮起的磁力线（下方曲线群）与周围磁力线（上方直线群）重叠，这时所产生的能量传给气体，从而形成高温气体喷流。
在处理天文学上的宏观现象时，将带电粒子流当作流体处理，较易掌握整体情况，计算方面也较为简单。在研究对象的范围非常小时，也可将电粒子流作为粒子集合来计算。图5就是采用粒子模型，模拟方向不同的磁力线彼此紧邻的状态。该粒子模型不仅可以像流体模型一样，重现磁力线重叠，还可以调查部分带电粒子快速运动的情形。粒子模型需要更多的计算，但是却可以重现流体模型所无法掌握的现象。
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文章作者:陈 丹
责任编辑:skylook
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