上海天文臺(tái)初步揭開(kāi)大質(zhì)量恒星形成區(qū)的神秘面紗
文章來(lái)源:上海天文臺(tái) | 發(fā)布時(shí)間:2020-06-29 | 【打印】 【關(guān)閉】
恒星是可以通過(guò)核聚變發(fā)光發(fā)熱的等離子體星球,是構(gòu)成可見(jiàn)宇宙的 “原子(atoms)”。離我們最近的恒星——太陽(yáng)只是銀河系千億恒星中最普普通通的一員,是“個(gè)頭”比較小的矮星。比太陽(yáng)個(gè)頭更大的恒星,特別是大質(zhì)量恒星(質(zhì)量大于8個(gè)太陽(yáng)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(gè)未解之謎。
中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)劉鐵博士領(lǐng)銜的國(guó)際團(tuán)隊(duì),利用世界上最先進(jìn)的毫米波/亞毫米波干涉陣ALMA,開(kāi)展了針對(duì)大質(zhì)量恒星形成區(qū)的3毫米觀測(cè)項(xiàng)目(ATOMS: ALMA Three-millimeter Observations of Massive Star-forming regions),首次對(duì)146個(gè)活躍的恒星形成區(qū)進(jìn)行了超高分辨率的觀測(cè),將系統(tǒng)揭開(kāi)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(xiàng)目組在國(guó)際核心天文學(xué)期刊《皇家天文學(xué)會(huì)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(xiàng)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(guò)程存在明顯的先后順序。
ATOMS項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生
大部分大質(zhì)量恒星形成的區(qū)域分布在遠(yuǎn)離太陽(yáng)系(>3260光年)的銀盤上。這些區(qū)域消光嚴(yán)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(yuǎn)鏡干涉陣列(如:ALMA)才能夠細(xì)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(cè)大多針對(duì)個(gè)別區(qū)域,而缺乏系統(tǒng)的大樣本觀測(cè)研究。
此前觀測(cè)表明,分子云中最致密(AV>8 mag)的部分才是恒星形成的場(chǎng)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(méi)有對(duì)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(wèn)題,我于2019年就萌生了一個(gè)想法,計(jì)劃利用ALMA開(kāi)展大樣本的大質(zhì)量恒星形成區(qū)觀測(cè)項(xiàng)目。”劉鐵說(shuō)。
該項(xiàng)目是目前ALMA在3毫米波段進(jìn)行的樣本最大的大質(zhì)量恒星形成區(qū)觀測(cè)項(xiàng)目(見(jiàn)圖1)。“ATOMS項(xiàng)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?!闭撐牡牡诙髡撸绹?guó)德州大學(xué)奧斯汀分校的資深教授Neal J. Evans指出。劉鐵補(bǔ)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(jiàn)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(shí)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(guò)程中被吸收或散射的比例較高。“光厚的譜線發(fā)射主要來(lái)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(wú)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(jìn)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(dá)分子云內(nèi)部核心?!?span>
ATOMS項(xiàng)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(dāng)。與此同時(shí),他們也證實(shí)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(chǎng)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(jì)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(yàn)諸如HCN和HCO+這樣的光厚譜線是否是可靠的稠密氣體探針。現(xiàn)在這些觀測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)始解答這個(gè)重要問(wèn)題?!?論文的合作者,來(lái)自美國(guó)國(guó)家噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的資深教授Paul F. Goldsmith表示。審稿人對(duì)這部分工作也給予了很高的評(píng)價(jià),認(rèn)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(xiàng)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(jiàn)圖3)。他們首次在一個(gè)大質(zhì)量恒星形成區(qū)G9.62+0.19,探測(cè)到了廣泛分布的一氧化硅(SiO)窄線發(fā)射。對(duì)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(xiàng)目觀測(cè)的146個(gè)大質(zhì)量恒星形成區(qū)(紅色+)在銀河系的分布。大部分觀測(cè)目標(biāo)都分布在旋臂上。

圖2:12個(gè)ATOMS觀測(cè)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(qiáng)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(lán)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(dá)五代的大質(zhì)量恒星(如大質(zhì)量無(wú)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(shuō),“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(dāng)前的大質(zhì)量恒星形成理論提出了挑戰(zhàn)?!彼麄冞€發(fā)現(xiàn),已經(jīng)形成的大質(zhì)量恒星會(huì)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(lái),我們還將利用ATOMS數(shù)據(jù)進(jìn)行更多統(tǒng)計(jì)性研究,系統(tǒng)研究大質(zhì)量恒星的形成機(jī)制及對(duì)星際介質(zhì)的反饋。”劉鐵表示?!斑@140多個(gè)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?!?/span> Paul F. Goldsmith教授總結(jié)說(shuō)。
ATOMS項(xiàng)目的參與人員包括來(lái)自上海天文臺(tái)的科研人員(劉鐵、沈志強(qiáng)、王均智、李尚活、李娟和朱逢堯),來(lái)自包括我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)在內(nèi)的國(guó)內(nèi)其它多個(gè)科研院所和高校 (中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、北京大學(xué)、云南大學(xué),臺(tái)灣中央研究院等)以及來(lái)自美國(guó)、日本、韓國(guó)、法國(guó)、芬蘭、澳大利亞、智利、匈牙利和印度等國(guó)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(yáng)質(zhì)量)主導(dǎo)了整個(gè)星系的光度;是銀河系內(nèi)部紫外光子的主要來(lái)源;形成和演化過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)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
