是飞象吗？还是姜饼人？小时候，我常常在天空中飘浮的云朵中寻找有趣的形状，并想象关于它们图案的故事。现在我成了一名职业天文观测者，但事情并没有太大改变。如今，我在分子云中寻找图案，那是恒星的诞生地。我在这些恒星摇篮中发现的形状不仅仅激发了我的想象力，它们还讲述了一个非常真实的关于何时、何地以及如何诞生恒星的故事。对于天文学家来说，理解这个故事取决于我们识别和解读我们在云层中看到的复杂形态的能力。
观测显示了精细的物质网络，包括密集的 газовые 团块和细长、面条状的结构，称为丝状结构，它们贯穿始终。分子云远非像牛奶一样均匀光滑，分子云是块状的，更像鸡肉面条汤。气体和尘埃积聚成一系列物理尺度，并组织成越来越密集的结构。它们的结构是分层的，就像俄罗斯套娃一样，较小的形状包含在较大的形状内。丝状结构比填充云层大部分体积的弥散气体密度大得多。而在丝状结构中嵌入着更小、更密集的 газовые 结，我们称之为核。这些核代表了恒星诞生前的最后阶段。
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分子云的动力学与其空间结构一样复杂。恒星、行星和星系（如银河系）都以相当可预测的方式绕其轴旋转。但是恒星之间的空间——星际介质，分子云位于其中——是一个狂野、混乱的前沿。云层内部的运动是湍流的， газовые 球和涡流像反复无常的仙子一样旋转。对分子云动力学和空间结构的观测使天文学家能够描绘出一幅引人入胜的（如果是不完整的）关于恒星如何诞生的图景。
我们理解的局限性的一个主要原因是，尽管云层是三维的，但我们的望远镜图像是平面的。我们通常无法辨别云层内结构的真实形状，因为我们看到的是它投影到一个平面上。对这个问题感到好奇，我受到了天文学以外领域的解决方案的启发。
除了是一名科学家，我还是一位艺术家——一位画家。我作为艺术家的这一面理解，尽管技术在识别模式方面可能非常出色，但人类的眼睛、大脑和想象力是无法替代的。我突发奇想，使用 3D 打印来创建分子云的有形复制品，让我们能够窥视这些物体的多个维度。我想，能够看到和握住微型分子云，可能会开启观察和思考这些神秘区域的新方式。
恒星诞生发生在寒冷而黑暗的太空深处。分子云的温度低至零下数百摄氏度，是宇宙中最寒冷的区域之一。它们主要由氢分子（两个氢原子结合在一起）组成，但也含有大量的氦气和微量的 一氧化碳和其他分子，以及少量的星尘（由先前几代恒星产生的重元素粒子组成）。这些简单的成分，加上冰冻的温度，被证明非常适合制造恒星和行星。由于它们非常寒冷，分子云在我们的眼睛可以看到的光学光中几乎是不可见的。它们令人印象深刻的结构在红外和射电频谱中才能最好地看到。
我们通过红外和射电望远镜进行的观测表明，早在恒星诞生之前，一片跨越数十光年的巨大 газовое 云就会在引力、湍流、辐射和磁场的相互作用影响下聚集和演化。一些研究表明，分子云是在更大的原子氢云（单个氢原子）相互碰撞时形成的。考虑到需要原子氢来制造分子氢，这种情况似乎是合理的。与此同时，尘埃颗粒有助于消散云层中的热量。
一旦积累了足够多的原子氢气体并冷却下来，云层的内部就会主要变成分子状态。此时，分子云的质量可能是太阳质量的数十万倍到数百万倍。这使得恒星摇篮成为星系中最大和最巨大的实体之一。
分子云从其周围环境中继承的动荡运动和磁场都在塑造其结构方面发挥着重要作用。在数百万年的过程中，云层内的 газовые 包裹相互碰撞、合并并密度增大。内部湍流导致 газовые 被压缩，这很快导致丝状结构和核的形成。一些核继续从周围环境中吸入物质，就像宇宙真空吸尘器一样。随着核变得越来越密集，内部引力变得更强，核开始坍缩。与此同时，坍缩区域中心的温度变得越来越高。最密集的核最终屈服于压倒一切的引力，并引发核聚变，此时一颗恒星就诞生了！
猎户座星云是一个活跃的恒星形成区域，是更大的猎户座 A 分子云的一部分。它距离我们仅 1400 光年，是最近的正在建造大质量恒星的恒星摇篮。就在您阅读本文时，那里正在诞生数百颗新恒星。像猎户座 A 这样的分子云在其生命周期中可能会产生数十万甚至数百万颗恒星。事实证明，恒星形成过程效率非常低下，恒星摇篮的大部分质量最终都不会变成恒星，与恒星相比，恒星微不足道。想象一下：如果我们的太阳像蓝莓那么大，那么它的母分子云可能就有地球甚至木星那么大。
这就是天文学家已经弄清楚的恒星形成的大致情况，但这个过程中有几个关键步骤仍然困扰着我们，这主要是因为观测恒星摇篮的字面意义上的模糊结构非常困难。最明显的缺失拼图之一是恒星形成究竟如何取决于分子云内部的结构。例如，丝状结构和核如何决定新生恒星的大小？这是一个至关重要的问题，因为恒星的质量是其后续演化中最重要因素。丝状结构是否像脐带一样，核和随后的恒星通过它获取质量？
在我的博士后研究期间，我研究了加利福尼亚分子云，它因其形状像加利福尼亚州而得名。我的合作者和我探索了一个小的子区域，我将其称为 Cal X，因为该位置出现了两个相交的丝状结构。在调查来自赫歇尔空间天文台的红外图像时，我们注意到许多核嵌入在两条丝状结构中，但没有一个核显示出变成恒星的迹象。然而，位于 Cal X 交汇处的核是该区域质量最大的核。那个核正在孕育至少两颗幼年恒星。
伊马拉既是一位画家，也是一位科学家，她利用艺术来启发和告知她的研究。图片来源：斯蒂芬妮·梅-林
当我分析 Cal X 中发生的事情时，我发现似乎有气体沿着丝状结构流动，就好像它们正在将物质漏斗到巨大的核中一样。然而，尽管证据具有启发性，但我无法完全排除其他可能性。也许气体正在远离丝状结构流动，或者它们可能正在旋转，或者可能所有这些事情的某种组合正在发生。
我的直觉是，Cal X 的丝状结构确实充当了宇宙脐带，为该区域中正在形成的恒星提供物质。对其他分子云的研究以及计算机模拟表明，丝状结构中存在类似的模式，并为这种情况提供了令人信服的证据。但是，得出明确结论的主要原因之一是，我们的观测通常无法显示恒星摇篮的 3D 几何形状。为了明确说明加利福尼亚分子云中正在发生的事情，我们需要知道丝状结构相对于彼此以及云层其余部分的位置。但是在平面图像中，不可能判断它们是朝向我们还是远离我们倾斜，或者可能是朝相反的方向倾斜。这就像试图判断河流的流向，而您拥有的只是景观的鸟瞰图——并且无法区分山脉和山谷。
关于分子云结构与恒星形成之间关系的一个相关问题是，是什么决定了恒星的诞生速率？银河系以每年约三个太阳质量的恒星的悠闲速度产生恒星。但是，所谓的星暴星系在早期宇宙中蓬勃发展，其恒星形成率高得离谱，是我们星系的数十倍甚至数千倍。星暴星系中的恒星摇篮是否可能具有与正常星系中的恒星摇篮根本不同的结构？
在过去十年中，随着使用赫歇尔以及智利的阿塔卡玛大型毫米波阵列 (ALMA) 和其他望远镜拍摄的星际介质图像突显了云层子结构在恒星形成中的重要性，这些问题已成为人们关注的焦点。在整个银河系和其他星系的分子云中，我们看到了从几光年到数百光年长的各种尺寸尺度的复杂丝状网络。而在丝状结构中，最密集的核似乎是恒星的首选诞生地点。尽管在解释我们的观测结果方面存在挑战，但很明显，了解分子云中稠密气体的起源和演化可能是朝着更全面地理解恒星如何形成的理论迈进的关键。
在研究分子云时，我经常想起我最喜欢的电影《音乐之声》中的一首歌的歌词：“你如何抓住一朵云并把它钉下来？”自从我的研究生时代以来，我就一直专注于试图“抓住”恒星摇篮的想法。我研究了各种旨在识别分子云并量化其子结构的算法。但是，很难解释旨在从 2D 图像中识别 3D 结构的算法的结果。我们如何在尘埃和气体海洋中围绕着一个恒星形成核画出有意义的边界？核心前面或后面的无关物质可能会污染我们的视野。或者，如果我们试图量化重叠丝状结构的特性，我们如何分辨一个丝状结构在哪里结束，另一个丝状结构在哪里开始？是否有可能我们的视角有时会导致我们将某些结构误认为其他东西？
我突发奇想，使用 3D 打印来可视化恒星摇篮中的结构。我希望能够将星星握在手中。与其他一些可视化方法不同，3D 打印以一种利用人脑识别模式能力的方式来表示天体物理结构。此外，交互式 3D 结构可以以 2D 表示无法实现的方式激发我们的直觉。我开始与新西兰坎特伯雷大学的约翰·福布斯和哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院的詹姆斯·C·韦弗合作。我们成为第一个使用 3D 打印可视化恒星形成的研究小组。
图片来源：马修·特沃姆利
首先，我们运行了几个代表各种物理极端情况的模拟。一个模拟具有非常强的引力；另一个模拟的磁场比我们在真实云层中通常观察到的要弱。目的是分离物理学的各个方面，以了解它们如何以不同的方式驱动分子云的演化。我们使用模拟而不是真实云层的观测结果作为 3D 打印设计的源数据，因为模拟可以在三个维度上运行。当我们模拟恒星摇篮时，就好像我们是全知的半神一样，因为在任何时刻我们都知道模拟中每个位置发生的一切。当然，我们的知识受到我们输入模拟的参数的限制，但这些输入都充分借鉴了观测结果。我们测试了生成的模型，以确保它们符合我们对真实分子云的相似性标准。然后，我们对模拟数据进行后处理，将其放入我们的 3D 打印机可以理解的格式中，该打印机以非常薄的树脂片进行打印。它将 2500 多张薄片叠放在一起以构建一个球体。
当我第一次拿着我的一个恒星摇篮时，我被迷住了。我把垒球大小的地球仪在手中转动，从各个角度检查其扭曲的结构。我可以看到丝状结构在云层中蜿蜒，然后溶解到背景中。我可以看到核、缕缕轻烟、平面结构和一些我叫不上名字的形状。我的同事和我还打印了半球体，以便我们更好地了解云层深处发生的事情，我惊讶地发现，仅仅在表面之下，结构就开始发生多么剧烈的变化。在对真实恒星摇篮的观测中，大部分物质都投影到图像平面上，因此无法分辨出哪些在前，哪些在后。现在，用我的指尖握着一个恒星摇篮，我只需轻轻一拧手腕就能看到发生了什么。这太美了。
一个很大的惊喜是，分子云内部结构的形状比我们想象的还要复杂。正如我的团队和我所怀疑的那样，有时从一个角度看起来像丝状结构的东西实际上是一个投影中的扁平片状结构。换句话说，丝状结构可能是一个沿着边缘观察的薄煎饼。但我们也注意到嵌入在薄煎饼中的丝状结构，这引发了一个诱人的可能性，即丝状结构是从片状结构中产生的。
我认为我们的 3D 打印模型是交互式地图。它们向我们展示了在哪里寻找以识别在恒星形成中起关键作用的结构。更重要的是，它们帮助我们培养从新角度看问题的能力，以便我们能够用全新的眼光看待真实云层的观测结果，并有可能发现我们以前没有注意到的模式。
早在我想出使用 3D 打印作为恒星摇篮可视化工具的想法之前，我就画了一张自己手中拿着一颗星星的草图。而在那之前的几年，当我还是一个撰写论文的研究生时，我曾想象自己飞过分子云，将数百万年的演化压缩成几分钟。我不确定如果我不是艺术家，我是否会想到使用计算机来创建恒星摇篮的雕塑。
恒星摇篮是宇宙中最复杂（而且，在我看来，也是最美丽）的物体之一。近年来，随着观测质量和多样性的进步使探索其结构成为可能，我们领域对推断其 3D 结构的兴奋感有所增加。
例如，研究人员使用来自盖亚空间天文台的数据，创建了与太阳附近的分子云相关的尘埃的 3D 地图。一项研究比较了我最喜欢的两朵云：猎户座 A 和加利福尼亚。这两个恒星摇篮是一个有趣的案例研究，因为它们与我们的距离大致相同；它们具有可比的质量，每个都包含约 100,000 倍太阳质量的分子氢；并且在 2D 图像中，它们具有相似的椭圆形形状。加利福尼亚的质量稍大，但奇怪的是，它产生恒星的速度比猎户座 A 慢近 100 倍。为什么？
根据这项研究，事实证明，猎户座 A 是一朵相对紧凑的云，形状像一支大雪茄，而加利福尼亚则是一个更扁平、更延伸的结构——就像我的 3D 打印模型中的“薄煎饼”一样。但是由于它在太空中的方向，我们从侧面看到了它，并且在平面图像中，它看起来比实际更紧凑。天文学家几十年来都知道，恒星形成往往在更稠密的气体中发生得更快。加利福尼亚和猎户座 A 的 3D 形状的差异可能解释了它们不同的恒星形成率。云层的形状以及最终的恒星形成都受到云层内部气体流动方式的影响。展望未来，我的同事和我正在将颜色融入我们的 3D 打印模型中，以探索恒星摇篮内部结构的运动。
包括詹姆斯·韦伯空间望远镜、ALMA 和其他天文台在内的新一代望远镜正在收集跨越电磁频谱的数据，并提高我们恒星形成观测的数量、质量和多样性。随着数值模拟的进步，理论家和观测者都在全力以赴地开发解决恒星诞生之谜的方法。然而，我作为艺术家深信，我们最重要的工具仍然是我们的想象力。就像我们小时候躺在草地上看云朵飘过头顶一样，我们的想象力可以看到我们头脑其他部分看不到的东西，并可能引领我们走向我们所希望的发现。
编者注（2024 年 4 月 5 日）：本文在发布后进行了编辑，以纠正对分子云成分以及恒星诞生中氢聚变成氦的描述。