滷肉飯?爌肉飯?傻傻分不清楚 Stellar Initial Mass Function

要引發地域之爭,提起滷肉飯是簡單粗暴的做法。

非常粗略地分別,在中北台灣,爌肉飯指的是大塊的滷肉,連皮帶肉,滷得發亮,滷肉飯則是切丁的肉塊,講究些還要手切,保留口感。而在南台灣,飯上疊著大肉塊的稱之滷肉飯,碎絞肉則成為肉燥飯。

若說「就一塊五花肉,切一切,滷一滷,那麼多講究,有差嗎?」可能會被各路老饕群起圍攻,切大切小還真的不一樣,烹調過程需要的火侯不同,入味程度不同,肉軟嫩程度不同,口感更是不同。我們不懂做菜,還是得稍稍懂吃才行。

恆星形成的複雜程度也不相上下。恆星時常群聚誕生,稱之為恆星團,恆星初始質量函數(IMF, Initial Mass Function)描述星團形成時,恆星質量的數量統計,這是星團很重要的一個表徵,與星際介質初始條件密切相關,也對星團乃至大尺度星系的演化影響重大。舉例來說,總重一百倍太陽質量的氣體塌縮碎裂形成恆星團,可以是100顆與太陽相同質量的恆星,也可以是10顆十倍太陽質量的恆星,在大尺度的重力量測上看不出差異,但兩者對星團演化的影響將會截然不同,這個差異可以反映在總光度或是光譜上,經由觀測來判斷。

描述恆星特性最重要的參數,就是它的質量,直接決定了恆星的大小、光度、核融合功率、和生命長度。大質量恆星溫度高、活動強、生命短、反饋大、並且大量產生氫氦以外的重元素,進而改變星際介質的特性而影響下一代恆星的形成,這類恆星會影響它所處之星系的演化;與太陽相似質量的恆星則提供恰到好處的能量,對生命的誕生不可或缺;小質量的恆星如恆河沙數,幽暗的微光,或許幾乎看不見,卻佔了最多數的質量總和,吃起來很飽,但不知道為什麼有點不滿足。

恆星作為宇宙的基本單位,是重要的能量引擎與元素工廠,透過核融合過程將質量轉化為能量,進而發光、發熱、藉由恆星的反饋活動,以輻射、噴流、恆星風創造週遭熱鬧的星際環境。恆星之間看似空無一物的空間,其實存在著稀薄的氣體、光子、塵埃、與磁場,稱之為星際介質。星際介質是個多變的恆星搖籃,直接可觀測的物理量之中,密度、溫度、不規則的紊流運動速度、與磁場強度,皆有橫跨數個數量級的巨大變化,而恆星就是在這樣複雜的環境中誕生。

令人費解的是,若純以結果論,過去近60年的觀測顯示大部分恆星團的質量組成都令人出乎意料地相似。雖然星際介質的特性多變,IMF 的峰值都發生在約 0.2 太陽質量並在大質量範圍呈現指數遞減。然而,隨著觀測與模擬技術的進步,此一普遍性開始受到懷疑和挑戰,極端環境中,可能產生不同分佈之IMF,然而這些例子包括極不易觀測的遙遠星系、高密度的銀河系中心、和炙熱的早期宇宙。

雖然 IMF 的普遍性目前仍缺乏強有力的理論證據支持,其在天文學眾多領域不可或缺的地位,使得此普遍性往往輕易地被接受為基本假設。為了對恆星初始質量函數提出完整且全面的解釋,天文學家觀測恆星形成環境中的各種密度分佈與動能特徵,並藉由重力與紊流交互作用的理論模型,依環境特性對 IMF 做出預測,並從多個面向切入探討,期望能釐清此迷惑 ,使往後研究在需要使用恆星初始質量函數的時候,更加有理可據。 

在研究恆星形成的天文學家的眼裡看來,星系天文學家就是那群分不出肉大塊小塊的近視眼,他們假裝每碗滷肉/爌肉飯都一樣,而行星科學家則是眼裡看來看去只看得到同一塊肉的挑食鬼,唯一關心太陽。他們可不知道這一碗端上來,要多少道工序,可不是每個廚師煮出來都一樣,總是有點風土,有點個人特色!

話說回來,有人分得出來,還真有人分不出來!這時候挑嘴的你可能又會說「肉燥飯是瘦絞肉,真正的滷肉飯要肥瘦參半,恰到好處!」是啊,宇宙歷史中不同時期,恆星可以產生各種新元素,添加進原來幾乎只有氫與氦的星際介質,新形成的恆星元素成分因此不盡相同,這又是另一個故事了。

撰文者:李悅寧