上海天文台初步揭开大质量恒星形成区的神秘面纱
文章来源：上海天文台 | 发布时间：2020-06-29 | 【打印】 【关闭】
恒星是可以通过核聚变发光发热的等离子体星球，是构成可见宇宙的 “原子(atoms)”。离我们最近的恒星——太阳只是银河系千亿恒星中最普普通通的一员，是“个头”比较小的矮星。比太阳个头更大的恒星，特别是大质量恒星(质量大于8个太阳质量)虽然稀少，但却影响巨大[注1]。然而，大质量恒星是如何形成的还是一个未解之谜。
中国科学院上海天文台刘铁博士领衔的国际团队，利用世界上最先进的毫米波/亚毫米波干涉阵ALMA，开展了针对大质量恒星形成区的3毫米观测项目(ATOMS: ALMA Three-millimeter Observations of Massive Star-forming regions)，首次对146个活跃的恒星形成区进行了超高分辨率的观测，将系统揭开这些分子云内部稠密分子气体的分布及大质量恒星形成的面纱。
近日，该项目组在国际核心天文学期刊《皇家天文学会月刊》（MNRAS）上背靠背发表了两篇学术论文，发布了该项目的首批重要成果：首次基于光学薄的同位素分子谱线研究了“稠密分子的恒星形成定律”；揭示了不同相的气体在空间分布上的不同；并发现了“序列大质量恒星形成”，即在同一片分子云中，大质量恒星的形成过程存在明显的先后顺序。
ATOMS项目应运而生
大部分大质量恒星形成的区域分布在远离太阳系(>3260光年)的银盘上。这些区域消光严重，环境复杂。只有超高分辨率和超高灵敏度的毫米波/亚毫米波望远镜干涉阵列(如：ALMA)才能够细致解析这些区域的内部结构。然而，之前的高分辨率观测大多针对个别区域，而缺乏系统的大样本观测研究。
此前观测表明，分子云中最致密(AV>8 mag)的部分才是恒星形成的场所。因此，揭示分子云中稠密分子气体的分布，是研究恒星形成的关键。然而，受限于分辨率，之前并没有对大质量恒星形成区内部稠密分子分布的系统研究。
“正是由于这些存在的问题，我于2019年就萌生了一个想法，计划利用ALMA开展大样本的大质量恒星形成区观测项目。”刘铁说。
该项目是目前ALMA在3毫米波段进行的样本最大的大质量恒星形成区观测项目（见图1）。“ATOMS项目获取了海量的分子谱线跃迁数据。与一氧化碳分子相比，这些分子谱线可以揭示分子云中更加稠密的气体。”论文的第二作者，美国德州大学奥斯汀分校的资深教授Neal J. Evans指出。刘铁补充到，“此外，ALMA的超高分辨率和超高灵敏度解析了这些恒星形成区的内部结构(见图2)。”
首次基于光学薄的同位素分子谱线研究了“稠密分子的恒星形成定律”
前人工作发现，星系尺度或者分子云尺度中，单位时间形成的恒星质量（恒星形成率）与稠密分子探针(例如: 氰化氢HCN分子)的发射线光度存在线性关系，即“稠密分子的恒星形成定律”。
此前，该领域的研究均采用一些光学厚的分子谱线跃迁。所谓光学厚，意味着光在传输过程中被吸收或散射的比例较高。“光厚的谱线发射主要来自于分子云的表层区域，那里密度较低。因此光学厚的谱线无法探究分子云内部的超致密结构，从而大大低估了分子云的气体密度和质量。”刘铁进一步解释，“相反，光学薄的分子发射可以穿透层层迷雾，直达分子云内部核心。”
ATOMS项目组首次利用了光学薄的同位素分子谱线研究了“稠密分子的恒星形成定律”。他们发现，不同分子云中相同质量的稠密气体能形成的恒星质量几乎相当。与此同时，他们也证实了光厚谱线完全不能示踪分子云内部最致密的部分——分子云核，那里是孕育恒星胚胎的直接场所；光薄谱线却能较好地揭示分子云核在分子云中的空间分布。但是，他们也发现，在统计学意义上，光厚谱线和光薄谱线都可以很好地示踪分子云整体的稠密气体质量和恒星形成率。
“人们一直好奇如何检验诸如HCN和HCO+这样的光厚谱线是否是可靠的稠密气体探针。现在这些观测数据开始解答这个重要问题。” 论文的合作者，来自美国国家喷气推进实验室(JPL)的资深教授Paul F. Goldsmith表示。审稿人对这部分工作也给予了很高的评价，认为该工作的意义将不仅限于银河系内部的恒星形成研究。
揭示了不同相的气体在空间分布上的差异
ATOMS项目组发现，稠密分子气体、电离气体和激波作用的气体在空间分布上存在较大差异(见图3)。他们首次在一个大质量恒星形成区G9.62+0.19，探测到了广泛分布的一氧化硅(SiO)窄线发射。对此，刘铁解释道，这表明该区域存在大范围的低速激波，而这些激波的产生可能与电离氢区的膨胀或者大范围气体流间的碰撞有关。
图1：ATOMS项目观测的146个大质量恒星形成区(红色+)在银河系的分布。大部分观测目标都分布在旋臂上。
图2：12个ATOMS观测的恒星形成区的ALMA 3 毫米的连续谱图像。等值线或者亮度最强的地方正形成大质量恒星。
图3. 大质量恒星形成区G9.62+0.19中气体分布。红色为3毫米连续谱，主要由已经形成的大质量原恒星周围的电离气体和尘埃热辐射形成。绿色为一氧化硅发射线，示踪了大范围的激波。蓝色为HCO+ J=1-0示踪的稠密分子气体。
在尺寸为3.26光年的区域内，可以形成多达五代的大质量恒星(如大质量无星云核候选体，大质量原恒星，大质量热核，超致密电离氢区，膨胀的慧状电离氢区等)。
刘铁说，“我们发现，大质量恒星并非最早形成于分子云的中心，这与理论预言不同，为当前的大质量恒星形成理论提出了挑战。”他们还发现，已经形成的大质量恒星会显著改变母分子云中气体的分布，并可能触发新一代大质量恒星的形成。
“未来，我们还将利用ATOMS数据进行更多统计性研究，系统研究大质量恒星的形成机制及对星际介质的反馈。”刘铁表示。“这140多个恒星形成区的高分辨率图像将有助于研究分子云中正在形成恒星的核心致密区域的性质，以及研究这些致密区域与孕育下一代恒星的大尺度分子云的关系。” Paul F. Goldsmith教授总结说。
ATOMS项目的参与人员包括来自上海天文台的科研人员(刘铁、沈志强、王均智、李尚活、李娟和朱逢尧)，来自包括我国台湾地区在内的国内其它多个科研院所和高校 （中国科学院国家天文台、北京大学、云南大学，台湾中央研究院等）以及来自美国、日本、韩国、法国、芬兰、澳大利亚、智利、匈牙利和印度等国的科研单位的合作者。
注1：大质量恒星（质量大于8倍太阳质量）主导了整个星系的光度；是银河系内部紫外光子的主要来源；形成和演化过程中产生的强星风、大质量外向流、膨胀的电离氢区,以及死亡后产生的超新星爆发等深刻影响着星系的内部结构形成与演化。
科研文章链接：
1. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020MNRAS.tmp.1739L/abstract
2. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020MNRAS.tmp.1741L/abstract
