模擬顯示，宇宙初期微弱磁場環境使第一批恆星單獨形成

藝術家筆下宇宙中第一批恆星成為超新星的想像圖。Image©NAOJ

宇宙中第一批恆星，被稱為第III星族恆星，在大霹靂後幾億年內就形成了，雖然天文學家推測大多數第III星族恆星都是明亮而壽命短暫的大質量恆星，但應該還有一些質量在0.8M_☉以下的恆星至今仍應存在，為何我們卻沒看見這些恆星呢？最簡單的答案就是：它們根本就不存在！

但是要證明宇宙中不存在的東西很具挑戰性。天文學家以宇宙第一批恆星誕生時的環境條件來進行模擬，而根據過去的研究顯示，早期宇宙充斥著微弱的磁場，比現今宇宙恆星形成區的磁場弱一兆倍，而磁場在塑造（或抑制）恆星形成上具有重要作用。

獵戶座恆星形成區的紅外波段影像，加上SOFIA觀測的磁場圖。Image©NASA/SOFIA/D. Chuss, et al., and European Southern Observatory/M.McCaughrean, et al.

Shingo Hirano（日本東京大學、九州大學）和Masahiro Machida（日本九州大學）模擬了早期宇宙條件下氣體雲的坍縮過程，以瞭解磁場如何影響第一批恆星的形成。該小組對磁場強度0、10^-20、10^-15和10^-10高斯的氣體雲進行磁流體動力學模擬，結果發現在無磁場的情況下，氣體雲分裂成一個巨大（約200M_☉）的原恆星和一些較小的原恆星，這些原恆星都持續到模擬結束的1,000年。

另一方面，在微弱磁場下，氣體雲中央形成的大質量恆星快速旋轉，會將磁場越繞越緊，而使磁場強度上升到1,000高斯，強大的磁場阻止了氣體雲進一步分裂，在一開始形成的幾顆小原恆星則完全消散，模擬結束時只留下了大質量原恆星。顯示即使是微弱的磁場，也能被放大到足以阻止小原恆星形成，使得第一批恆星都單獨形成。

圖為模擬未被磁化（a）和磁場強度為10^-20高斯的氣體密度（b）與磁場（c）變化情形，各行顯示時間為0、10和1,000年時的狀態。可以看出磁場強度被放大並隨時間變化。Image©Hirano & Machida

天文學家表示，雖然模擬顯示早期宇宙中的微弱磁場會阻止小質量恆星的形成，但還有其他需要考慮的因素，例如，如果氣體處於湍流狀態下，則可能傾向於分裂成多顆恆星，緩慢的擴散過程也可能阻止磁場增長到足以發揮重要作用的程度。

“Exponentially Amplified Magnetic Field Eliminates Disk Fragmentation around Population III Protostars,” Shingo Hirano and Masahiro N. Machida 2022 ApJL 935 L16. doi:10.3847/2041-8213/ac85e0