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中大物理學家及統計學家聯手揭示磁場與恆星誕生率之奧妙關係
香港中文大學（中大）物理系李華白教授和統計學系樊曉丹教授攜手合作，領導其博士生發現影響恆星誕生率的重要線索。該研究獲著名學術期刊《自然天文》（Nature Astronomy）刊登為八月號的封面故事。
分布於銀河上的緻密星雲氣體，是恆星誕生的「搖籃」。當星雲氣體達到一定密度，便會在自身重力作用下不斷塌縮，將氫融合成氦，形成恆星。然而，相同大小及年齡的星雲氣體所產生的恆星數量可以相差甚遠，這個現象一直是天文學家的未解之謎。
究竟是甚麼影響著恆星的形成率？這是發展現代恆星形成模型的關鍵問題。主流理論認為湍流（turbulence）是主要因素，但恆星數量大不相同的星雲，並沒有出現明顯不同的湍流力量。李華白教授的研究團隊顛覆傳統，嘗試以銀河中無處不在的磁場（magnetic fields）作為研究方向，來破解恆星形成率之謎。中大物理系博士一年級生顧琦烙在研究中負責分析磁場的方向，他説：「甫進入研究院，便能參與這個創新的研究項目，我實在感到興奮。」
研究團隊發現，星雲的延伸方向主要與磁場垂直或平行；而更意外的是，他們發現與磁場平行的星雲普遍擁有更高的恆星形成率。這一重要發現將有助天文學家了解磁場在恆星形成中的作用，進一步完善現代恆星形成模型。
精密統計分析助揭開星雲之謎
鑑於此出乎意料的發現，研究團隊必須加倍謹慎地驗證此結果的顯著性。因此，團隊加入了中大統計學系樊曉丹教授和其博士生蔣杭進，作專業的統計分析。
樊教授回憶道：「我十分欣賞李教授在處理科學問題上嚴謹審慎的態度。很多人在使用統計方法前，往往都忽略了覆核相關的前設是否正確。事實上，我們在選擇或設計一個統計方法前，應全面地考慮樣本量、抽樣設計和測量誤差等因素，同時還要如實地報告推斷結果的不確定性。」
蔣杭進在樊教授的指導下完成所有的統計分析，他說: 「能將學到的統計知識應用於如此重要的科學問題上，我感到很興奮，也證明統計法則的應用範圍十分廣泛。」
拉近學生與國際級研究的距離
經過精密的統計分析，研究團隊證實了磁場是影響恆星形成率的主要因素。李教授嘗試用顯淺的方法解釋為何與磁場平行的星雲較易形成恆星：「我們可以把磁場想像成多束平行並拉緊的橡皮筋，愈強的磁場代表愈多的橡皮筋，橡皮筋拉緊的方向代表磁場的方向，垂直於磁場方向的運動會被其張力抵抗。我們再把星雲想像成一個橡皮筋能穿越的圓柱體。假設橡皮筋的密度固定，當圓柱體和橡皮筋垂直排列時會接觸到最多的橡皮筋，亦即遇到最大的張力；相反，平行於磁場的圓柱體內則有最少的橡皮筋，代表愈少的張力去反抗重力塌縮，故能形成愈多的恆星。」
為了提高學生對研究的興趣，李教授會把他研究中的物理難題簡化成本科生也有能力拆解的功課。除了是次硏究外，李教授在2015年於《自然》發表有關巨型恆星的研究之前，亦曾將當中部分的理念化為本科生的天文功課。李教授說：「作為一個研究型大學的老師，我希望能將課程內容與進行中的研究連結起來，拉近學生與研究的距離，燃起他們參與研究的興趣。畢竟，追求未知的熱情才是研究工作的關鍵，若老師只提供已有標準答案的問題，未必可幫助他們判斷自己是否適合從事研究。」
新一代磁場探測儀即將登場以觀測更遠的星雲
研究團隊會繼續進行數值模擬，以進一步計算恆星形成率。此外，他們還有另一個大計──建構一個能探測星雲磁場的新儀器。團隊成員之一、物理系博士生張雅芃說：「雖然這次研究很成功，但我們只研究了距離地球僅1,000光年的星雲。」張雅芃現正領導建構新的星雲磁場探測儀，預計於2019年裝置於智利Atacama沙漠的日本製遠紅外線望遠鏡上。屆時，研究團隊將能以更高的解像度觀測更遠的星雲，進一步探索磁場與恆星形成的關係。
論文全文刊載於以下連結:
https://www.nature.com/articles/s41550-017-0158
緻密暗星雲因遮蔽了背景星光故呈深黑色。彩色的光暈源於恆星的幅射，卻只存在於右邊的星雲，原因一直是個謎。中大物理系及統計學系的研究團隊最近發現了兩個星雲最大的不同：磁場。圖中的紅/黃色線段是磁場方向。左邊的星雲與磁場垂直而右邊的則接近平行。太陽系方圓一千光年內的星雲均傾向於和磁場垂直或平行。(圖片來源: Stéphane Guisard)
磁場(圖中以曲線顯示其方向)分布於整個銀河系。顔色代表氣體密度；深褐色代表高密度，自水平中線漸次向南北遞減 (圖片來源: 歐洲太空總署)。
研究團隊 (從左到右)：中大統計學系副教授樊曉丹教授、中大物理系助理教授李華白教授、統計學系博士生蔣杭進、物理系博士生顧琦烙及張雅芃。
磁場線好比橡皮筋。假設磁場線的密度固定，當圓柱體和橡皮筋垂直排列時會接觸到最多的磁場線，亦即遇到最大的張力；相反，平行於磁場線的圓柱體內則有最少的磁場，代表愈少的張力去反抗重力塌縮，故能形成愈多的恆星。
李華白教授的研究獲著名學術期刊《自然天文》（Nature Astronomy）刊登為八月號的封面故事。 (圖片來源: ESO/Stéphane Guisard及Nature Astronomy)
