大質(zhì)量恒星“出生”要排隊 稠密氣體“孕育”恒星有規(guī)可循

太陽對人類來說至關(guān)重要。然而，這顆距離我們最近的恒星只是銀河系千億顆恒星中普普通通的一員，是顆“個頭”比較小的矮星。

宇宙中比太陽“個頭”更大的恒星，特別是大質(zhì)量恒星雖然稀少，卻真正主宰著整個星系的命運。大質(zhì)量恒星如何誕生一直是一個未解之謎。

近期，一個由中國科學(xué)院上海天文臺研究員劉鐵領(lǐng)銜的國際團隊，利用阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡(ALMA)，開展了針對大質(zhì)量恒星形成區(qū)的3毫米觀測項目(ATOMS項目)，首次對146個活躍的恒星形成區(qū)進行了超高分辨率的觀測，或?qū)⒔议_這些分子云內(nèi)部稠密分子氣體分布及大質(zhì)量恒星形成的面紗。相關(guān)研究成果已發(fā)表在《皇家天文學(xué)會月刊》上。

稠密氣體“孕育”恒星有規(guī)可循

恒星往往誕生于星系內(nèi)部的分子云中，大質(zhì)量恒星也不例外，因此這類能夠孕育恒星的分子云也被稱為恒星形成區(qū)。

此前觀測表明，分子云中最致密的部分——分子云核才是恒星形成的場所。因此，揭示分子云中稠密分子氣體的分布，是研究恒星形成的關(guān)鍵。然而，受限于目前望遠鏡的分辨率，以往學(xué)界缺乏對大質(zhì)量恒星形成區(qū)內(nèi)部稠密分子分布的系統(tǒng)研究。

此次研究人員充分利用高分辨率的ALMA望遠鏡，在前人研究的基礎(chǔ)上另辟蹊徑，發(fā)現(xiàn)稠密氣體孕育恒星的規(guī)律。

星系尺度或分子云尺度中，單位時間內(nèi)形成的恒星質(zhì)量(恒星形成率)與稠密分子探針(如氰化氫分子)的發(fā)射線光度存在線性關(guān)系，即“稠密分子的恒星形成定律”。

此前，該領(lǐng)域的研究均采用一些光學(xué)厚的分子譜線躍遷。所謂光學(xué)厚，意味著光在傳輸過程中被吸收或散射的比例較高。光學(xué)薄的分子譜線則相反。“光學(xué)厚的譜線發(fā)射主要來自于分子云的表層區(qū)域，那里密度較低。因此，僅憑借光學(xué)厚的譜線無法探究分子云內(nèi)部的超致密結(jié)構(gòu)，可能會大大低估分子云的氣體密度和質(zhì)量。”劉鐵表示，“相反，光學(xué)薄的分子發(fā)射可以穿透層層迷霧，直達分子云內(nèi)部核心。”

此次研究中，研究人員首次利用了光學(xué)薄的同位素分子譜線研究“稠密分子的恒星形成定律”。

他們發(fā)現(xiàn)，不同分子云中相同質(zhì)量的稠密氣體形成的恒星質(zhì)量幾乎相同。與此同時，他們也證實了光學(xué)厚譜線完全不能示蹤分子云內(nèi)部最致密的部分——分子云核，光學(xué)薄譜線卻能較好地揭示分子云核在分子云中的空間分布。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，在統(tǒng)計學(xué)意義上，光學(xué)厚譜線和光學(xué)薄譜線都可以很好地示蹤分子云整體的稠密氣體質(zhì)量和恒星形成率。

空間分布與理論預(yù)測相反

更有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)在同一片分子云中，大質(zhì)量恒星的形成過程存在明顯的先后順序。

在直徑為3.26光年的區(qū)域內(nèi)，可以形成多達五代的大質(zhì)量恒星，如大質(zhì)量無星云核候選體、大質(zhì)量原恒星、大質(zhì)量熱核、超致密電離氫區(qū)、膨脹的慧狀電離氫區(qū)等。

“大質(zhì)量恒星并不是孤立形成的，而是一團團地形成，即同一片分子云中很小區(qū)域內(nèi)會形成很多大質(zhì)量恒星。”劉鐵進一步解釋說，研究人員發(fā)現(xiàn)同一片分子云中形成的大質(zhì)量恒星具有明顯的年齡差，這就像家族繁衍一樣，有一種“多世同堂”的味道。

“它們不僅形成時間上有先后順序，在空間分布上也有明顯的區(qū)別。這種情況很奇妙，還有待進一步探索。”劉鐵說。

“值得一提的是，此次研究發(fā)現(xiàn)，大質(zhì)量恒星并非最早形成于分子云中氣體團塊的引力中心，這與此前理論預(yù)測不同，對當(dāng)前大質(zhì)量恒星形成理論提出了挑戰(zhàn)。”劉鐵說。

以往一些理論模型認(rèn)為，在一個分子云氣體團塊中，最大質(zhì)量的恒星首先形成于氣體團塊的引力中心。這主要是因為中心區(qū)域的引力勢最低，分子云中氣體更容易掉落到引力中心，處在引力中心的分子云核更容易“獲取原料”，所以會最先坍縮形成恒星。

此次研究結(jié)果卻與理論預(yù)測相反，研究人員發(fā)現(xiàn)氣體團塊外圍形成的大質(zhì)量恒星演化階段更晚，也就是說它們的年齡更大，而處于氣體團塊中心正在形成的大質(zhì)量恒星卻相對年輕。

“這與我們的之前的認(rèn)知不符，當(dāng)然這還需要更具信服力的統(tǒng)計性研究來確認(rèn)。我們目前正在利用ATOMS數(shù)據(jù)來進行相關(guān)統(tǒng)計研究，如果這種現(xiàn)象很普遍的話，某些恒星形成理論或者模型就可能要徹底改寫了。”劉鐵說。(左文文 實習(xí)記者 于紫月)

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