大質量恒星“出生”要排隊,新觀測挑戰恒星形成理論
2020年07月13日10:19

  來源:科技日報 

  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,特別是大質量恒星雖然稀少,卻真正主宰著整個星系的命運。大質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台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),開展了針對大質量恒星形成區的3毫米觀測項目(ATOMS項目),首次對146個活躍的恒星形成區進行了超高解像度的觀測,或將揭開這些分子雲內部稠密分子氣體分佈及大質量恒星形成的面紗。相關研究成果已發表在《皇家天文學會月刊》上。

  稠密氣體“孕育”恒星有規可循

  恒星往往誕生於星系內部的分子雲中,大質量恒星也不例外,因此這類能夠孕育恒星的分子雲也被稱為恒星形成區。

  此前觀測表明,分子雲中最緻密的部分——分子雲核才是恒星形成的場所。因此,揭示分子雲中稠密分子氣體的分佈,是研究恒星形成的關鍵。然而,受限於目前望遠鏡的解像度,以往學界缺乏對大質量恒星形成區內部稠密分子分佈的系統研究。

  此次研究人員充分利用高解像度的ALMA望遠鏡,在前人研究的基礎上另闢蹊徑,發現稠密氣體孕育恒星的規律。

  星系尺度或分子雲尺度中,單位時間內形成的恒星質量(恒星形成率)與稠密分子探針(如氰化氫分子)的發射線光度存在線性關係,即“稠密分子的恒星形成定律”。

  此前,該領域的研究均採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。“光學厚的譜線發射主要來自於分子雲的表層區域,那裡密度較低。因此,僅憑藉光學厚的譜線無法探究分子雲內部的超緻密結構,可能會大大低估分子雲的氣體密度和質量。”劉鐵表示,“相反,光學薄的分子發射可以穿透層層迷霧,直達分子雲內部核心。”

  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”。

  他們發現,不同分子雲中相同質量的稠密氣體形成的恒星質量幾乎相同。與此同時,他們也證實了光學厚譜線完全不能示蹤分子雲內部最緻密的部分——分子雲核,光學薄譜線卻能較好地揭示分子雲核在分子雲中的空間分佈。

  研究人員還發現,在統計學意義上,光學厚譜線和光學薄譜線都可以很好地示蹤分子雲整體的稠密氣體質量和恒星形成率。

  空間分佈與理論預測相反

  更有趣的是,研究人員發現在同一片分子雲中,大質量恒星的形成過程存在明顯的先後順序。

  在直徑為3.26光年的區域內,可以形成多達五代的大質量恒星,如大質量無星雲核候選體、大質量原恒星、大質量熱核、超緻密電離氫區、膨脹的慧狀電離氫區等。

  “大質量恒星並不是孤立形成的,而是一團團地形成,即同一片分子雲中很小區域內會形成很多大質量恒星。”劉鐵進一步解釋說,研究人員發現同一片分子雲中形成的大質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後順序,在空間分佈上也有明顯的區別。這種情況很奇妙,還有待進一步探索。”劉鐵說。

  “值得一提的是,此次研究發現,大質量恒星並非最早形成於分子雲中氣體團塊的引力中心,這與此前理論預測不同,對當前大質量恒星形成理論提出了挑戰。”劉鐵說。

  以往一些理論模型認為,在一個分子雲氣體團塊中,最大質量的恒星首先形成於氣體團塊的引力中心。這主要是因為中心區域的引力勢最低,分子雲中氣體更容易掉落到引力中心,處在引力中心的分子雲核更容易“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,研究人員發現氣體團塊外圍形成的大質量恒星演化階段更晚,也就是說它們的年齡更大,而處於氣體團塊中心正在形成的大質量恒星卻相對年輕。

  “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計性研究來確認。我們目前正在利用ATOMS數據來進行相關統計研究,如果這種現象很普遍的話,某些恒星形成理論或者模型就可能要徹底改寫了。”劉鐵說。

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