在恒星物理学中有一个挥之不去的问题：年轻的恒星会发出明亮的X射线，但是没有人知道原因。在把人造卫星送上天捕捉天体X射线辐射的数十年之后，尽管天文学家们知道恒星形成和X射线之间有着紧密的关联。然而，它们是如何以及为什么“走”到一起的？X射线又能告诉我们有关恒星形成的一些什么信息？这些问题的答案仍然未知。
多亏了杰伊·麦克尼尔（Jay McNeil）的发现，天文学家现如今才有机会搞清楚年轻恒星X射线爆发的成因。在2004年1月的一天夜里，天文爱好者麦克尼尔将他的7.6厘米折射望远镜对准了猎户座中的一个模糊区域，正是他所看到的东西，彻底改变了有关恒星形成和X射线的争论。麦克尼尔所发现的东西对于天文学家们来说也都是第一次看到。
幸运的转机
这是美国肯塔基州帕迪尤卡一个寒风凛冽的夜晚，麦克尼尔走向10米远的后院天文台。作为卫星天线安装工的他也是一个资深的天文爱好者，他会定期地对天空的不同区域进行拍照。“我当时正在试用一架新的小望远镜，”6个月后麦克尼尔在接受美国全国公共广播电台的采访时说，“由于天太冷，我快速地在猎户座中拍摄了几张照片就回屋了。在接下去的几天里也没有处理这些照片。”
3天后，当他整理这些照片的时候，在反射星云M78附近发现了一些东西。“起初我想它可能是出现在图像某一帧上的奇特反光，”他说，“但在我处理完所有的图像之后，我看到的则是一个非常特别但却实实在在的东西。”
麦克尼尔随即上网把他的发现和已有的数据进行比对。他检索了猎户座中这一区域所有天体的位置数据，但是没有找到。一周之后，他向国际天文学联合会（IAU）报告了这一发现。
“你应该看看这个！”迈克尔·里奇蒙德（Michael Richmond）来到乔尔·卡斯特纳（Joel Kastner）的办公室对他说。他俩是罗彻斯特理工学院的天文学家。里奇蒙德在互联网上看到了麦克尼尔的发现和他所拍摄的照片。他知道，这是能激起恒星形成专家卡斯特纳兴趣的东西。卡斯特纳的反应果然没有让他失望。
“麦克尼尔星云”
在IAU公布了麦克尼尔的发现之后，专业天文学家也将他们的大型望远镜对准了这一天区。在那里，他们发现了一片锥形的气体、尘埃云，而照亮这一星云的正是位于其顶端的一颗现在被命名为“麦克尼尔星云”的年轻恒星――当来自恒星的光线照射到气体和尘埃时，它就能被看到。
天文学家很快意识到，这一明亮的反射星云几年前并不存在。他们过去曾拍摄到位于这一星云底部的恒星猎户V1647的照片，当时它很暗弱。现在这颗恒星突然爆发，在几个月的时间里亮度增加了50倍。
对于里奇蒙德和卡斯特纳来说，这是一座潜在的金矿。他们知道这一爆发被认为是恒星形成过程中的一个关键阶段。同时他们也知道这样的爆发非常罕见。
天文学家以前也捕捉到几个进行中的恒星爆发，但都在现代空间望远镜问世之前。对于卡斯特纳这样一个年轻恒星X射线辐射领域的专家来说，猎户V1647的爆发正是一个千载难逢的机遇。尽管理论家们对于年轻恒星的爆发有了一个大致的想法，但是对其中的细节还存有争议。麦克尼尔星云能解开这个谜题吗？
恒星是通过被称为“吸积”的过程而形成的，整个过程始于夹杂着磁场的巨大气体、尘埃云。通常，被称为“云核”的一小部分星云会在自身的引力下坍缩，云核中的物质就会掉向中心，新生恒星的种子就此形成。
麦克尼尔（左）和“麦克尼尔星云图”
开始时，恒星核会有一定的自转，这是因为其母星云中包含有湍流、翻滚运动。就像旋转中的花样滑冰运动员收回她的手臂一样，当恒星核收缩时，其中的气体会越转越快，最终形成一个围绕原恒星转动的吸积盘（吸积盘会成为恒星生长的调节器）。
弄清物质流
为了抵达恒星，气体必须先穿过这个吸积盘，然后才能落到恒星表面。天文学家已经研究了这些盘的性质，以此来了解它们的工作机理。此外，这些盘还会孕育行星，这也使得它们在天文学中变得尤为重要。
至今尚无人清楚的一件事情是，是什么控制着穿过吸积盘的物质流，而物质流是稳定的吗？换句话说，气体是否以不变的速率落入恒星？物质流是否规则，亦或大块的物质全部掉到年轻的恒星上？
天文学家怀疑，磁场在影响吸积的过程中起到了巨大作用。年轻恒星的磁场非常强大，可以把吸积盘推开。如果是这样，势必在恒星和吸积盘的内边缘之间形成缝隙。于是，盘中高温的电离物质不得不借助磁力线越过这一缝隙才能到达恒星表面。
通过盘所进行的吸积的稳定性和磁场在吸积中扮演的角色都是恒星形成研究的重大课题。尽管科学家已经研究出许多数学模型来描述磁场是如何控制吸积盘和恒星之间的物质流的，但所缺乏的是一个能够显示吸积是如何在真实的盘中所进行的观测实例。
1973年天文学家发现了一些早期的线索，即暗弱的猎户FU在200天里增亮了100倍。现在清楚，猎户FU是一类亮度突然增大、随后在几十年时间重回原来亮度的恒星。随后，天文学家开始怀疑，每一次猎户FU爆发事件都是由于吸积盘中的物质流快速增加导致的。当物质落向恒星时，它会以光的形式释放出引力能。
更重要的是，猎户FU爆发事件证明通过盘所进行的吸积可以是不稳定的。一些天文学家猜想，重复出现的猎户FU爆发事件可能代表着恒星形成的一个关键阶段。问题是，天文学家只观测到了为数不多的几颗猎户FU型恒星――而且通常都是在爆发开始之后其能量输出下降之时才发现的。虽然天文学家已经观测到了许多持续时间较短或者规模较小的类猎户FU爆发现象，但最近一次完全的猎户FU爆发事件还得追溯到1970年代。
X-射线眼
时至今日，观测技术已经取得了突飞猛进的发展。事实上，卡斯特纳把他大部分的职业生涯都投入到位列这些巨大进展之一的“钱德拉X射线天文台”的上。因此，当里奇蒙德带着麦克尼尔星云的消息冲入他办公室的时候，他立刻想到了“钱德拉”。
“钱德拉X射线天文台”模拟图
在过去的十几年中，卡斯特纳一直在研究年轻恒星所发出的X射线，因此他深知其中的争议。争论的关键并不仅仅在于X射线，还事关恒星形成过程中无处不在的磁场。
“在天文学中磁场和X射线总是联系在一块儿的，”卡斯特纳说。当科学家第一次把X射线照相机送入足够高的高空之后，他们看到的第一样东西就是太阳和它的日冕。
太阳具有一个强大的磁场，被称为“太阳耀斑”的巨大等离子体爆发会形成X射线暴。“当我们使用‘钱德拉’望远镜观测年轻恒星时，也能看到明亮的X射线，”卡斯特纳解释说，“对于天文学家来说，太阳上磁场和X射线之间的联系极具说服力，因此大家都有一个普遍的信念，那就是年轻的恒星也可以通过星冕中的爆发产生X射线。”
由于年轻的恒星比太阳自转得快，它们因此会拥有更强大的磁场，许多天文学家相信它们应该会是更为明亮的X射线源。但卡斯特纳没有完全接受这一观点。多年来，他一直在寻找X射线和年轻恒星之间不同的关联。他说：“我们知道吸积是通过盘进行的，而我们也知道恒星的磁场会把盘推开。”
这暗示着恒星的磁场多多少少也会调控吸积。卡斯特纳说：“对我来说，年轻恒星的X射线也应该和它们的吸积有关，而不仅仅来自星冕。”通过吸积盘，磁场可以控制到达恒星表面的物质流，而在物质下落到恒星表面时就会产生X射线。
有了这样一幅天文图像，发现麦克尼尔星云的这一新闻把卡斯特纳带入了一个核心问题：如果由于吸积麦克尼尔星云中央的恒星出现了增亮，那么它在X射线波段是不是也是如此？卡斯特纳知道，如果这颗恒星也确实发出X射线的话，它就将成为证明吸积和X射线之间联系的关键性证据。搞清楚这个问题的唯一办法就是获得“钱德拉”的观测时间，而且要快。
联合观测
卡斯特纳、里奇蒙德和他们的合作者、来自范德堡大学的戴维·温劳布（David Weintraub）无法通过常规手段申请“钱德拉”的观测时间（通常需要几个月的时间），但他们必须在麦克尼尔星云处于爆发阶段时对其进行观测。幸运的是，他们争取到了为类似猎户V1647的爆发这样不可预见的事件所预留的观测时间。
就在“钱德拉”将要完成它的观测前，卡斯特纳收到了一封来自法国天体物理实验室的天文学家尼古拉斯·格罗索（Nicolas Grosso）的电子邮件：他刚刚获得了欧洲的“牛顿X射线多镜面望远镜”对麦克尼尔星云的观测时间。“钱德拉”和“牛顿”在观测上各具特色，前者拥有更高的空间分辨率，后者则能获得更好的X射线光谱。
卡斯特纳和格罗索决定，成立一个联合小组来进行X射线观测并对结果进行解释。当卡斯特纳和他的小组仔细查看“钱德拉”获得的数据时，他们发现这颗恒星在X射线波段的爆发如同在其他波段上的一样。“它几乎已经成为了其所在天区中第二亮的可探测X射线源，”卡斯特纳解释说，“我们看到它的亮度增强了50倍。”
不久这个小组也拿到了“牛顿”的数据。当他们画出随时间变化的X射线亮度曲线时，它的形状和其他波段的亮度变化完全相符。这说明X射线和吸积确实是紧密相关的。
澄清真相
在作为少数派认为是吸积导致了原恒星发出X射线多年之后，卡斯特纳感觉他的观点得到了证明。“起初我认为这就是我们所需的所有证据――无须多说什么了，”卡斯特纳回忆道，“但后来我意识到，这太幼稚了。”
科学其实一个保守的行业。有证据显示星冕磁场的活动导致了年轻恒星发出X射线，因此卡斯特纳及其合作者不想做出没有根据的论断。卡斯特纳说：“大多数人还没有准备好改旗易帜。”
接下去就是准备向《自然》杂志投稿，其间也经历了通过电子邮件所进行的漫长妥协过程。卡斯特纳的小组确保他们的结论只涉及观测数据所支持的那一部分。“为此我们花了一些时间来说服小组的所有人，”卡斯特纳说，“最后我们所说的是，观测结果显示吸积可以增强X射线。我们并没有说它是X射线的唯一来源。”这篇措辞谨慎的文章随后被《自然》杂志接受并发表。
理论天体物理学家现在的要务是了解到底是什么产生了X射线。最有可能的情况是，磁场将吸积盘推离了恒星的表面，而此时如果有一大团物质朝恒星运动的话，那么磁场就无法使得盘保持原有的距离。当吸积盘的内边界往里逼近的时候，磁场就会改变自身的形态并且以磁耀斑的形式释放出能量，由此产生高能辐射。
麦克尼尔星云和猎户V1647并没有终结有关年轻恒星X射线的争论，但它们确实对此产生了影响。“一些人会说，这只是一个例外，”卡斯特纳说，“其他人则可能会乐于接受吸积在这里也起到了作用，尽管许多甚至绝大多数的年轻恒星可能是通过星冕活动而产生X射线的。”
争论仍将继续，但物理图像已经较以往变得更为清晰。无论最终的结果会是怎样，猎户V1647小小的爆发使得麦克尼尔和卡斯特纳都参与到了最罕见的科学事件中――那就是发现崭新、意料之外和奇妙的东西。
资料来源 Astronomy
责任编辑 则 鸣