近日,哈佛大学天文系系主任、哈佛-史密松天体物理学中心(CfA)的著名天体物理学家Abraham Loeb与合作者Nia Imara在《自然·天文》(Nature Astronomy)创刊号上发表了一篇评论性文章,列举了宇宙中几类尺度递减但结构相似的现象。这种相似性犹如大家熟悉的俄罗斯套娃——大娃娃体内放着一个小的娃娃,小娃娃里面放着更小的娃娃,层层嵌套。
天体物理学中还有其它类似俄罗斯套娃这样的例子吗?我们能够从它们的相似性中学到什么?下面我们列出这样的一些例子。
·盘中盘。我们的银河系包含了一个由恒星和气体组成的盘,这些恒星与气体以235千米每秒的速度绕着共同的中心旋转。在银河系中心,有一个400万个太阳质量的黑洞;在这个黑洞周围,又有一个恒星与气体构成的、尺度更小的盘绕着它旋转。
在整个银盘中,新形成的恒星嵌在围绕银心转动的分子云中,这些新的恒星周围同样也环绕着盘。在这些所谓的原行星盘中的气体与尘埃会聚集并最终形成行星,正如50亿年前我们的太阳系一样。但也许这并不是这个天体物理盘系统套娃结构中最小的娃娃。最先进的模拟表明,行星在其演化的早期,被一个更小的气体盘包围着。未来的技术发展或许能让我们探测到围绕在初生行星周围这样的盘。
·纤维中的纤维。
在自身引力的作用下,宇宙中每一个过于稠密的区域都倾向于先沿着它的短轴坍缩——产生片,然后沿着第二长的轴坍缩——产生纤维,最后沿着最长的轴坍缩——产生致密物体,如星系或者星系群。因此,弥散的星系际介质(intergalactic medium,IGM)通常呈现出片或纤维状的形态,构成一张“宇宙网(cosmic web)”,这被认为是宇宙大尺度结构的骨架。
星系位于纵横交错的星系际纤维的扭结处,在星系内部,星际介质(interstellar medium,ISM)重复着上述的模式。例如,最近高分辨率的观测表明银河系中恒星间的原子气体呈现片和纤维状的网络结构,其成因可能来自超新星爆发所产生的冲击波。中性原子气流的碰撞或者其他类型的不稳定性,触发了最终将孕育恒星的冷暗的分子云的形成。
·团中团。星系倾向于成团。
每一个旋涡星系包含一个引力束缚的气体盘,盘中的分子云常常在彼此的引力作用下聚集成巨大的分子云系统。虽然银河系中最小的分子云可能是被其周围的星际介质的压力束缚住,人们普遍认为,大质量的巨型分子云是被引力维系在一起的。被等级式地嵌套在分子云里面的是稠密的气体核,而气体核中最稠密的部分形成了星团。由此可见,长程的、没有特征尺度(scale-free)的引力在各种不同的成团尺度上得到了类似的体现。