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，一個由中國科學院上海天文臺研究員劉鐵領銜的國際團隊，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，或將揭開這些分子云內(nèi)部稠密分子氣體分布及大質(zhì)量恒星形成的面紗。相關研究成果已發(fā)表在《皇家天文學會月刊》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鍵。然而，受限于目前望遠鏡的分辨率，以往學界缺乏對大質(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系，即“稠密分子的恒星形成定律”。

此前，該領域的研究均采用一些光學厚的分子譜線躍遷。所謂光學厚，意味著光在傳輸過程中被吸收或散射的比例較高。光學薄的分子譜線則相反。“光學厚的譜線發(fā)射主要來自于分子云的表層區(qū)域，那里密度較低。因此，僅憑借光學厚的譜線無法探究分子云內(nèi)部的超致密結構，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)計學意義上，光學厚譜線和光學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，這與此前理論預測不同，對當前大質(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。

此次研究結果卻與理論預測相反，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知不符，當然這還需要更具信服力的統(tǒng)計性研究來確認。我們目前正在利用ATOMS數(shù)據(jù)來進行相關統(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 實習記者 于紫月)

關鍵詞： 大質(zhì)量恒星