上海天文臺初步揭開大質(zhì)量恒星形成區(qū)的神秘面紗
文章來源：上海天文臺 | 發(fā)布時間：2020-06-29 | 【打印】 【關(guān)閉】
恒星是可以通過核聚變發(fā)光發(fā)熱的等離子體星球，是構(gòu)成可見宇宙的 “原子(atoms)”。離我們最近的恒星——太陽只是銀河系千億恒星中最普普通通的一員，是“個頭”比較小的矮星。比太陽個頭更大的恒星，特別是大質(zhì)量恒星(質(zhì)量大于8個太陽質(zhì)量)雖然稀少，但卻影響巨大[注1]。然而，大質(zhì)量恒星是如何形成的還是一個未解之謎。
中國科學(xué)院上海天文臺劉鐵博士領(lǐng)銜的國際團隊，利用世界上最先進的毫米波/亞毫米波干涉陣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: ALMA Three-millimeter Observations of Massive Star-forming regions)，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，將系統(tǒng)揭開這些分子云內(nèi)部稠密分子氣體的分布及大質(zhì)量恒星形成的面紗。
近日，該項目組在國際核心天文學(xué)期刊《皇家天文學(xué)會月刊》（MNRAS）上背靠背發(fā)表了兩篇學(xué)術(shù)論文，發(fā)布了該項目的首批重要成果：首次基于光學(xué)薄的同位素分子譜線研究了“稠密分子的恒星形成定律”；揭示了不同相的氣體在空間分布上的不同；并發(fā)現(xiàn)了“序列大質(zhì)量恒星形成”，即在同一片分子云中，大質(zhì)量恒星的形成過程存在明顯的先后順序。
ATOMS項目應(yīng)運而生
大部分大質(zhì)量恒星形成的區(qū)域分布在遠離太陽系(>3260光年)的銀盤上。這些區(qū)域消光嚴重，環(huán)境復(fù)雜。只有超高分辨率和超高靈敏度的毫米波/亞毫米波望遠鏡干涉陣列(如：ALMA)才能夠細致解析這些區(qū)域的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。然而，之前的高分辨率觀測大多針對個別區(qū)域，而缺乏系統(tǒng)的大樣本觀測研究。
此前觀測表明，分子云中最致密(AV>8 mag)的部分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，受限于分辨率，之前并沒有對大質(zhì)量恒星形成區(qū)內(nèi)部稠密分子分布的系統(tǒng)研究。
“正是由于這些存在的問題，我于2019年就萌生了一個想法，計劃利用ALMA開展大樣本的大質(zhì)量恒星形成區(qū)觀測項目?！眲㈣F說。
該項目是目前ALMA在3毫米波段進行的樣本最大的大質(zhì)量恒星形成區(qū)觀測項目（見圖1）。“ATOMS項目獲取了海量的分子譜線躍遷數(shù)據(jù)。與一氧化碳分子相比，這些分子譜線可以揭示分子云中更加稠密的氣體?！闭撐牡牡诙髡?，美國德州大學(xué)奧斯汀分校的資深教授Neal J. Evans指出。劉鐵補充到，“此外，ALMA的超高分辨率和超高靈敏度解析了這些恒星形成區(qū)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(見圖2)?！?/span>
首次基于光學(xué)薄的同位素分子譜線研究了“稠密分子的恒星形成定律”
前人工作發(fā)現(xiàn)，星系尺度或者分子云尺度中，單位時間形成的恒星質(zhì)量（恒星形成率）與稠密分子探針(例如: 氰化氫HCN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)，從而大大低估了分子云的氣體密度和質(zhì)量?！眲㈣F進一步解釋，“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?！?span>
ATOMS項目組首次利用了光學(xué)薄的同位素分子譜線研究了“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)量的稠密氣體能形成的恒星質(zhì)量幾乎相當。與此同時，他們也證實了光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，那里是孕育恒星胚胎的直接場所；光薄譜線卻能較好地揭示分子云核在分子云中的空間分布。但是，他們也發(fā)現(xiàn)，在統(tǒng)計學(xué)意義上，光厚譜線和光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。
“人們一直好奇如何檢驗諸如HCN和HCO+這樣的光厚譜線是否是可靠的稠密氣體探針?，F(xiàn)在這些觀測數(shù)據(jù)開始解答這個重要問題。” 論文的合作者，來自美國國家噴氣推進實驗室(JPL)的資深教授Paul F. Goldsmith表示。審稿人對這部分工作也給予了很高的評價，認為該工作的意義將不僅限于銀河系內(nèi)部的恒星形成研究。
揭示了不同相的氣體在空間分布上的差異
ATOMS項目組發(fā)現(xiàn)，稠密分子氣體、電離氣體和激波作用的氣體在空間分布上存在較大差異(見圖3)。他們首次在一個大質(zhì)量恒星形成區(qū)G9.62+0.19，探測到了廣泛分布的一氧化硅(SiO)窄線發(fā)射。對此，劉鐵解釋道，這表明該區(qū)域存在大范圍的低速激波，而這些激波的產(chǎn)生可能與電離氫區(qū)的膨脹或者大范圍氣體流間的碰撞有關(guān)。
圖1：ATOMS項目觀測的146個大質(zhì)量恒星形成區(qū)(紅色+)在銀河系的分布。大部分觀測目標都分布在旋臂上。
圖2：12個ATOMS觀測的恒星形成區(qū)的ALMA 3 毫米的連續(xù)譜圖像。等值線或者亮度最強的地方正形成大質(zhì)量恒星。
圖3. 大質(zhì)量恒星形成區(qū)G9.62+0.19中氣體分布。紅色為3毫米連續(xù)譜，主要由已經(jīng)形成的大質(zhì)量原恒星周圍的電離氣體和塵埃熱輻射形成。綠色為一氧化硅發(fā)射線，示蹤了大范圍的激波。藍色為HCO+ J=1-0示蹤的稠密分子氣體。
在尺寸為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)。
劉鐵說，“我們發(fā)現(xiàn)，大質(zhì)量恒星并非最早形成于分子云的中心，這與理論預(yù)言不同，為當前的大質(zhì)量恒星形成理論提出了挑戰(zhàn)。”他們還發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)形成的大質(zhì)量恒星會顯著改變母分子云中氣體的分布，并可能觸發(fā)新一代大質(zhì)量恒星的形成。
“未來，我們還將利用ATOMS數(shù)據(jù)進行更多統(tǒng)計性研究，系統(tǒng)研究大質(zhì)量恒星的形成機制及對星際介質(zhì)的反饋?！眲㈣F表示?！斑@140多個恒星形成區(qū)的高分辨率圖像將有助于研究分子云中正在形成恒星的核心致密區(qū)域的性質(zhì)，以及研究這些致密區(qū)域與孕育下一代恒星的大尺度分子云的關(guān)系。” Paul F. Goldsmith教授總結(jié)說。
ATOMS項目的參與人員包括來自上海天文臺的科研人員(劉鐵、沈志強、王均智、李尚活、李娟和朱逢堯)，來自包括我國臺灣地區(qū)在內(nèi)的國內(nèi)其它多個科研院所和高校 （中國科學(xué)院國家天文臺、北京大學(xué)、云南大學(xué)，臺灣中央研究院等）以及來自美國、日本、韓國、法國、芬蘭、澳大利亞、智利、匈牙利和印度等國的科研單位的合作者。
注1：大質(zhì)量恒星（質(zhì)量大于8倍太陽質(zhì)量）主導(dǎo)了整個星系的光度；是銀河系內(nèi)部紫外光子的主要來源；形成和演化過程中產(chǎn)生的強星風(fēng)、大質(zhì)量外向流、膨脹的電離氫區(qū),以及死亡后產(chǎn)生的超新星爆發(fā)等深刻影響著星系的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成與演化。
科研文章鏈接：
1. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020MNRAS.tmp.1739L/abstract
2. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020MNRAS.tmp.1741L/abstract
