创造文章

翻译自： Giant molecular clouds: A look at uniformitarian assumptions in star formation

出版者：国际创造事工（Creational Ministries International, CMI）

原作见：https://creation.com/giant-molecular-clouds

作者：约翰·G·哈特内特（ John G. Hartnett）

发布日期：2016年3月15日

几乎在任何一本标准的大学天体物理学教材中，你都能找到一章关于恒星形成的章节。恒星据称是由巨大的分子氢云形成的，而且现在仍在形成。这是标准的路线。因此，根据标准的大爆炸理论，恒星并非如《创世记》第一章所述，由造物主在创世周的第四天创造，而是在引力作用下由气体（和尘埃）自然凝结而成。

如今，你可以读到关于暗物质的文章，它们被认为是星系形成以及恒星形成的种子。¹ 但暗物质仍然只是一种假设的物质。那么，恒星形成如何在不引入此类物质的情况下进行？什么样的物理学可以解释所谓的巨分子云（GMC）坍缩形成恒星？当暗物质被/不被假设存在时，恒星形成的典型解释是什么？以及需要哪些无法证实的均变论假设？

为了找到这些问题的答案，我查阅了（因此我大量引用了）1996年大学一年级天体物理学教材《现代天体物理学导论》（第一版），作者是卡罗尔和奥斯特利（Carroll & Ostlie），² （以下简称卡罗尔和奥斯特利）。我还研究了十年后，作者们在第二版中可能添加的内容，以克服恒星形成过程中的一些问题，但并未发现任何实质性的改进。^3,4

卡罗尔和奥斯特利写道：

“从某种意义上说，恒星的演化是周期性的。它诞生于恒星之间的气体和尘埃，即星际介质（Interstellar Medium, ISM）。”²（原文着重强调）

这句话出现在卡罗尔和奥斯特利合著（第一版）第十二章“恒星形成过程”的开头几段中。⁵ 但很明显，这不可能适用于第一批恒星，据称它们形成于早期宇宙，早于任何超新星爆炸，因此也早于任何尘埃（以及原子序数大于锂的气体）形成并散射到星际介质中。在这种情况下，第一批恒星的演化（发展）不可能是周期性的。毕竟，它存在一个第一因难题。如果在任何恒星形成理论中，你援引超新星来克服巨磁云（Giant Magnetic Cloud， GMC，据称恒星由此形成）坍塌的问题，使其超过金斯标准（见下文）设定的不稳定性极限，那么你认为那些最初的恒星是如何克服这一根本性限制的？

当中性氢原子在其单个质子核中进行自旋翻转时，它会发射出波长为21厘米或1420兆赫的非常特征性的辐射。⁶这种微波跃迁在宇宙中既可以作为发射线，也可以作为吸收线。天文学家利用这种信号来绘制氢离子H _I的分布和密度。⁷此外，根据其吸收线光谱，它还可以用于估算氢碘酸云的径向速度及其温度（30-80 K）；以及根据塞曼效应（Zeeman effect）估算其磁场。²

“光学厚度的尘埃云将氢与紫外线辐射源隔离。这种屏蔽的后果之一是，氢分子可以存在，而不会受到紫外光子吸收而解离的威胁。”²

因此，据称，我们可以从这种类型的氢——巨大质量云中的氢分子——中找到新恒星的自然形成。但由于氢分子的性质，它们不会发射任何21厘米的辐射。它们很难被“看到”，⁸因此，其他分子被用作示踪剂。由于一氧化碳分子 (CO) 的相对丰度（0.01%），它通常被用作氢分子存在的示踪物。² 这里假设存在氢分子，并且CO示踪分子与其发生碰撞，因此可以用它来推导出所谓云层中氢分子的密度和温度。参见图1中未观察到任何排放的云层示例。

我们星系的螺旋臂中显然存在着数千个巨分子云。毫无疑问，这是通过使用示踪气体确定的。据此确定，这些巨大的尘埃和气体云通常温度约为20K，质量高达100万个太阳质量，大小约为 50pc（【parsecond秒差距】或160光年）。

FORS 团队，8.2 米 VLT Antu，ESO 

 

另一方面，存在着体积小、密度高、近乎球形的分子氢云，被称为博克球状体（Bok Globules），其不透明度高，温度接近10 K，密度相对较高。参见图1。它们的质量在1-1000个太阳质量范围内，大小约为1秒差距（或3.3光年）。

“对博克球状体的红外巡天显示，许多（或许是大多数）此类天体的中心都蕴藏着年轻恒星。显然，博克球状体是恒星形成的活跃场所。此外，巨磁星系与非常年轻的O型和B型主序恒星之间的物理关联表明，这些区域也存在恒星形成。”²（着重号为作者所加）

此处“显然”一词的使用为本章关于恒星形成的论证奠定了基础。此处第一句话陈述了一个事实，除了使用了“年轻”一词之外。后者是基于均变论思想得出的结论，即恒星的宇宙演化故事是真实的。第二句中“显然”一词的使用强化了这一点。目前没有实际证据表明实时观测到由巨核云坍缩形成的恒星，但是，如果观测到“年轻”的热恒星，正如人们所认为的那样，它们会沿着所谓的主序带以某种方式演化，那又何乐而不为呢？这本身就是一个精彩的故事。

但在他们题为“原恒星的形成”的小节中，我们应该期待一个清晰的陈述，说明巨核云是如何坍缩到金斯不稳定性极限的。现在，据称原恒星是氢气浓度在核燃料燃烧开始之前的某个阶段坍缩形成的。关于卡罗尔和奥斯特利的这条评论，

“在演化的早期阶段，即星际分子云中形成被称为原恒星的前核燃烧天体，这是一个远未完成的领域。”²（原文着重强调）

问题是：

“如果分子云是恒星形成的场所，那么坍缩发生的条件是什么？”²（着重号为作者所加）

这是一个至关重要的问题，对于拒绝造物主上帝的唯物主义者来说，这是一个需要回答的问题。

金斯（Jeans）标准

“詹姆斯·金斯爵士（Sir James, Jeans, 1877-1946）于1902年首次研究了这个问题，他考虑了流体静力平衡的微小偏差的影响。”²

正是金斯提出了物理学家在假设一团巨大的气体云坍缩形成恒星时所面临的概念。从能量守恒的考虑，我们可以确定，当气体云被压缩时，它也会升温。升温效应反过来又会增加气体云内部的压力，使其达到流体静力平衡，此时向内的引力与向外的压力相平衡。这样，气体云就不会进一步坍缩，达到稳定状态。然而，金斯确定了在一定密度和温度下，气体云自发坍缩并突破金斯稳定极限所需的最小质量。这个质量被称为金斯质量（MJ）。

M_J≈ K₁ρ^-1/2T^3/2, (1)

其中 K1（和 K2）为常数，T 为温度（单位为开尔文），ρ 为云的密度。密度也可以表示为使密度为 ρ 的云坍缩所需的最小半径。后者称为金斯长度 (RJ)，

R_J≈ K₂ρ^-1/2T^1/2, (2)

从公式 (1) 可以明显看出，随着云团密度的增加和坍缩，云团的温度也会升高（无需某种快速冷却方式，即辐射），所需的金斯质量也会增加，所需的金斯长度也会增加 [公式 (2)]。这与金斯极限的坍缩背道而驰。

但卡罗尔和奥斯特利不愿受细节限制，采用了一种简化的分析方法，他们指出：

“尽管分析中做出了一些简化假设，例如忽略了自转和星系磁场的影响，但它为原恒星的演化提供了重要的见解。”²（着重号为作者所加）

他们没有解释巨型分子云如何达到一定的尺寸、温度和密度，而是举了一个观测到的巨型分子云核心的例子，该核心的质量大于最小金斯质量。然后他们说道：

“显然，巨型分子云的核心不稳定，容易发生引力坍缩，这与它们作为恒星形成场所的性质相符。”²

在关于恒星形成的这一章中，他们没有解释 巨型分子云的核心是如何变成这样的，即它是如何超过金斯质量的。然后他们说道：

“如果满足引力坍缩的金斯标准，坍缩的分子云在其演化的初期本质上处于自由落体状态。”^2,9（着重号为作者添加）

因此，从那时起，分子云就被假定正在坍缩，而没有任何迹象表明它是如何坍缩的。并且假设分子云是等温（isothermal）的。

“只要分子云保持光学薄度，并且坍缩过程中释放的引力势能能够有效地辐射出去，那么这一假设就成立。”²

分子云必须是光学薄度的；这意味着对所有辐射都是透明的，因此分子云不会吸收任何热量。因此，分子云在坍缩过程中保持恒温。更多的假设和更多的讲故事。

之后，他们讨论了分子云达到所有热量都被分子云保留的点的情况——绝热（adiabatic）阶段——但这被认为很可能是通往核燃烧阶段的必经之路。

碎裂

假设云团等温坍缩，由公式 (1) 可知，金斯质量必然随密度增加而减小。卡罗尔和奥斯特利随后指出：

“考虑到任何初始密度的不均匀性，在坍缩开始后，云团的某些部分将独立地满足金斯质量极限，并开始局部坍缩，从而在云团内部产生更小的特征。”²（着重号为作者所加）

因此，据称会发生云的碎裂。他们问道：“但是，是什么阻止了碎裂过程呢？”² 记住，之前假设坍缩是等温的，以克服云的加热，防止进一步坍缩。现在假设相反。

“由于我们观察到一个充满质量与太阳质量相当的恒星的星系，云的级联碎裂不可能不间断地进行。这个问题的答案在于我们隐含的假设，即坍缩是等温的……”²（着重号为作者添加）

因此，他们声称在云坍缩的某个时刻，云会变得光学厚，云的温度会升高，从而阻止进一步坍缩。在这种情况下，金斯质量会增加，从而阻止任何质量小于该值的碎片坍缩。

他们如何确定初始阶段等温坍缩和最终阶段绝热坍缩之间的平衡？引入一个效率因子²来表示云的散热。它可以容纳任何需要的热量。

这只是另一个调整参数，它由太阳大小恒星存在的观测事实以及恒星确实会自然形成（以某种方式）这一未明说的假设决定其真实性。这只是一个故事，因为克服金斯定律质量和长度限制的真正问题尚未被讨论。

旋转与磁场

“对于稳定性和坍缩速率的问题来说，旋转（角动量）、偏离球对称性或磁场的存在可能产生的影响或许同样重要。……此外，磁场与带电粒子之间的相互作用也可能显著影响云的演化。”²（着重号添加）

角动量和磁场对于初始巨磁云的坍缩至关重要。带电粒子倾向于固定磁场线，防止坍缩。尽管角动量效应在赤道平面上更为明显，但我们太阳系的所有证据都表明，角动量主要存在于行星盘中，而物理学则认为，当中心恒星坍缩并旋转时，角动量应该存在于中心恒星中。

作者承认他们的模型比较粗糙，并且遗漏了一些重要方面，例如上面列出的那些。现在，您可能会认为，通过计算机建模并求解描述所有物理现象的所有方程，就能解释金斯判据如何满足始于巨磁云的自由落体坍缩。但我们接下来读到的是：¹⁰

“设想一个约1 M_☉【译者注：M_☉ = 太阳的质量】的球形云，其太阳成分超过了金斯标准。”¹¹（着重号添加）

因此，文中采用了特殊的辩护（special pleading【译者注：一个逻辑谬误】）。这个问题被忽略了，故事指出，当云坍缩时，它会变得光学厚，因此云会被绝热加热。这是由于坍缩云中的尘埃存在，当云达到接近流体静力平衡时，在其核心形成一颗原恒星。这颗原恒星现在应该位于分子云深处，但被一层尘埃茧遮挡，无法直接看到。²

这一理论叙事随后引向了观测验证。但观测到的恒星是否正在坍缩？不，天文学家会尽可能多地寻找上述情况下的恒星。由于从巨核云盖顶恒星演化到拥有主序星描述预期结构的恒星的时间相对较短（对于一颗质量为1M_☉的恒星而言，大约需要1000万年），预计新恒星将很难找到。¹²

从这一点开始，描述在很大程度上受限于天文观测到的样本。我的意思是，这就像是一种“集邮”（stamp collecting）。你寻找你认为是处于不同演化阶段的物体的典型样本。这与生物进化以及将化石记录解读为数十亿年从简单到复杂的演化历史有何不同？然而，任何观察者都从未看到过任何实际的变化，即在一种动物身上添加了显著的附加物，使其变成另一种动物——我的意思是，实时变化。

鉴于这种“集邮”现象，在讨论金牛座T型恒星形成阶段（该阶段存在一个环绕恒星的吸积盘）时（图2），Carroll & Ostlie写道：

“这些吸积盘¹³似乎是造成原恒星天体许多特征的原因，包括发射线、质量损失、喷流，甚至可能是一些光度变化的原因。遗憾的是，有关其中涉及的物理过程的细节尚不清楚。”²（着重号为作者所加）

此次利用哈勃太空望远镜进一步“集邮”后，得出的结论是：

“这些恒星圆盘（被简称为原行盘proplyds）似乎是与年龄不到100万年的年轻恒星相关的原行星盘（protoplanetary disks）。”²（着重号为原文所加）

 

 

这些盘（不包括中心恒星）的质量是地球的几倍。但他们如何知道这类恒星的年龄不到100万年呢？这只是通过理论论证，远非基于严格的模型。正如我所指出的，实际上，要实现后者，必须在先进的计算机模拟中加入暗物质。¹ 这实际上等于捏造物理学。最后，卡罗尔和奥斯特利写道：

“当坍缩过程中考虑角动量的影响时，问题立即出现。角动量守恒的论证使我们预期所有主序恒星都应该以接近解体的速度快速旋转。然而，观测表明，情况并非如此。显然，角动量被从坍缩恒星中转移出去了。”²（着重号为作者添加）

为了解决这个问题，在年轻恒星的盘面中引入磁场。磁场被锚定在对流区，理论上可以用来耦合中心恒星的角动量。这可以通过施加扭矩来减缓恒星的自转。但这是一种特殊的辩护（special pleading【一种逻辑谬误】）。当磁场是一个问题时，在讨论巨分子云最初坍缩形成恒星的过程中，可以将其排除在外；但当你想解决其他问题时，可以将其纳入讨论。

结论

卡罗尔和奥斯特利承认“……还有很多工作要做”。² 毫无疑问，自本文撰写以来，已经取得了一些进展，我之前已经讨论过这一点。理论家们倾向于利用暗物质来解决最棘手的问题。但这就像承认这个问题无法解决一样。过去50年来，各种实验室实验都在寻找暗物质，但至今仍未发现。即使某种形式的暗物质被发现，也可能无法解决恒星形成的问题，因为需要的物质太多了，以至于如果太阳系和所有其他恒星都是自然形成的，而不是由造物主直接创造的，那么太阳系中85%的物质都必须是暗物质。但这些物质在哪里呢？然而，如果没有暗物质——天体物理学和宇宙学中新的“空隙之神”（god of the gaps），恒星形成就一直是个问题，而且现在仍然如此。圣经中给出的解释要好得多：“神……又造众星。”（创世记 1:16）

 

【扩展阅读】

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参考文献及注释

1. Hartnett, J.G.，Stars just don’t form naturally—‘dark matter’ the ‘god of the gaps’ is needed恒星并非自然形成——需要‘暗物质’——‘空隙之神’，2015年9月；com/stars-dont-form-naturally。
2. Carroll, B.W. 和 Ostlie, D.A.，An Introduction to Modern Astrophysics《现代天体物理学导论》，Addison-Wesley 出版公司，第一版，1996年。
3. 与本书后续更新版本相比，在描述恒星形成过程的实质性内容上几乎没有任何差异。Carroll, B.W. 和 Ostlie, D.A.，第二版。
4. Carroll, B.W.以及A. Ostlie，An Introduction to Modern Astrophysics《现代天体物理学导论》，Pearson, Addison-Wesley 出版社，第二版，2007 年。
5. 在 Carroll 和 Ostlie 的第二版中，同样的论述出现在第 12 章“星际介质和恒星形成”中。除非另有说明，所有引用第一版的内容在第二版中基本重复。
6. 并下降到较低的能态。在这种情况下，它会发射辐射，但如果在较低的能态下吸收 21 厘米的辐射，质子将被激发，并翻转其自旋，进入较高的能态。因此，在天文源的光谱中可以观察到发射线和吸收线。如图 2 所示。
7. H _I 是分配给解离氢原子的名称。
8. H₂ 在电磁波谱的可见光或射电部分没有发射线或吸收线。21 厘米的谱线位于光谱的射电部分。
9. 这句话在 Carroll & Ostlie 的第二版中没有出现，但在其第 413-414 页中进行了讨论，其中引入了来自星际介质 (ISM) 对云的外部压力。该压力由 Bonner-Ebert 质量给出，但仍然涉及等温坍缩，并且仍然需要质量达到临界状态。
10. 这句话在 Carroll & Ostlie 的第二版中没有出现，但在其第 420-421 页中进行了讨论，讨论了磁场的影响，指出“……另一种触发致密核心坍缩的可能性。如果原本处于亚临界状态的核心变为超临界状态，则可能发生坍缩。”（第 421 页）这指的是关于云中磁场非常小的假设，而第一版的正文中没有提到这一点。但云是如何达到磁超临界状态的呢？他们没有说明。他们简单地写道（第421页）“……但如果云的质量超过M_B（包括磁场在内的金斯质量），则云处于磁超临界状态，重力将超过磁场抵抗坍缩的能力。” 因此，这是相同的方法，但在这种情况下，他们现在假设云的质量足够大，可以克服气体由于其温度和磁场而产生的向外压力，从而抵抗坍缩。
11. 参考文献2，第456页；1 M_☉ = 1个太阳质量。
12. 主序列是指基于数千颗恒星的聚集和分类，预期的大小、温度和光度随年龄的演化趋势。
13. 物质盘围绕原恒星运行，周围空间的物质被吸积到该盘上。另请参阅 Hartnett, J.G.，A ‘protoplanetary system’ in formation?（“原行星系统”正在形成？），2015年9月，biblescienceforum.com

 

作者介绍：

John G. Hartnett约翰·哈特内特毕业于西澳大利亚大学 (UWA) 物理学院，获得理学学士 (荣誉) (1973 年) 学位和博士学位 (2001 年)。他是一位澳大利亚年轻地球创造论者和宇宙学家。他积极参与国际创造事工，以反对大爆炸理论以及批评暗物质和暗能量假说而闻名。

他在专业天体物理学杂志上发表过许多文章，采用Moshe Carmeli摩西·卡梅利提出的“宇宙相对论”，应用在一个有限欧式空间内，能够证明假设暗物质和暗能量是没有必要的。

约翰·哈特内特是Starlight, Time and the New Physics《星光、时间和新物理学》（2007 年）一书的作者，也是Dismantling the Big Bang《拆解大爆炸》一书的合著者。