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  • 上海天文臺初步揭開大質量恒星形成區的神秘面紗

    文章來源:上海天文臺  |  發布時間:2020-06-29  |  【打印】 【關閉

      

      恒星是可以通過核聚變發光發熱的等離子體星球,是構成可見宇宙的 “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,特別是大質量恒星(質量大于8個太陽質量)雖然稀少,但卻影響巨大[1]。然而,大質量恒星是如何形成的還是一個未解之謎。  

      中國科學院上海天文臺劉鐵博士領銜的國際團隊,利用世界上最先進的毫米波/亞毫米波干涉陣ALMA,開展了針對大質量恒星形成區的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進行了超高分辨率的觀測,將系統揭開這些分子云內部稠密分子氣體的分布及大質量恒星形成的面紗。  

      近日,該項目組在國際核心天文學期刊《皇家天文學會月刊》(MNRAS)上背靠背發表了兩篇學術論文,發布了該項目的首批重要成果:首次基于光學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;并發現了“序列大質量恒星形成”,即在同一片分子云中,大質量恒星的形成過程存在明顯的先后順序。  

      ATOMS項目應運而生  

      大部分大質量恒星形成的區域分布在遠離太陽系(>3260光年)的銀盤上。這些區域消光嚴重,環境復雜。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域的內部結構。然而,之前的高分辨率觀測大多針對個別區域,而缺乏系統的大樣本觀測研究。  

      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鍵。然而,受限于分辨率,之前并沒有對大質量恒星形成區內部稠密分子分布的系統研究。  

      “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開展大樣本的大質量恒星形成區觀測項目?!眲㈣F說。  

    該項目是目前ALMA3毫米波段進行的樣本最大的大質量恒星形成區觀測項目(見圖1)?!?span>ATOMS項目獲取了海量的分子譜線躍遷數據。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的內部結構(見圖2)?!?/span>

      首次基于光學薄的同位素分子譜線研究了“稠密分子的恒星形成定律”   

      前人工作發現,星系尺度或者分子云尺度中,單位時間形成的恒星質量(恒星形成率)與稠密分子探針(例如: 氰化氫HCN分子)的發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?!肮夂竦淖V線發射主要來自于分子云的表層區域,那里密度較低。因此光學厚的譜線無法探究分子云內部的超致密結構,從而大大低估了分子云的氣體密度和質量?!眲㈣F進一步解釋,“相反,光學薄的分子發射可以穿透層層迷霧,直達分子云內部核心?!?span>   

      ATOMS目組首次利用了光學薄的同位素分子譜線研究了“稠密分子的恒星形成定律”。他們發現,不同分子云中相同質量的稠密氣體能形成的恒星質量幾乎相當。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,他們也發現,在統計學意義上,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量和恒星形成率。 

      “人們一直好奇如何檢驗諸如HCNHCO+這樣的光厚譜線是否是可靠的稠密氣體探針?,F在這些觀測數據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項目組發現,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量恒星形成區G9.62+0.19,探測到了廣泛分布的一氧化硅(SiO)窄線發射。對此,劉鐵解釋道,這表明該區域存在大范圍的低速激波,而這些激波的產生可能與電離氫區的膨脹或者大范圍氣體流間的碰撞有關。 

     

    1ATOMS項目觀測的146個大質量恒星形成區(紅色+)在銀河系的分布。大部分觀測目標都分布在旋臂上。

    212ATOMS觀測的恒星形成區的ALMA 3 毫米的連續譜圖像。等值線或者亮度最強的地方正形成大質量恒星。

      

    3. 大質量恒星形成區G9.62+0.19中氣體分布。紅色為3毫米連續譜,主要由已經形成的大質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光年的區域內,可以形成多達五代的大質量恒星(如大質量無星云核候選體,大質量原恒星,大質量熱核,超致密電離氫區,膨脹的慧狀電離氫區等)。 

      劉鐵說,“我們發現,大質量恒星并非最早形成于分子云的中心,這與理論預言不同,為當前的大質量恒星形成理論提出了挑戰?!彼麄冞€發現,已經形成的大質量恒星會顯著改變母分子云中氣體的分布,并可能觸發新一代大質量恒星的形成。 

      “未來,我們還將利用ATOMS數據進行更多統計性研究,系統研究大質量恒星的形成機制及對星際介質的反饋?!眲㈣F表示?!斑@140多個恒星形成區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域的性質,以及研究這些致密區域與孕育下一代恒星的大尺度分子云的關系?!?/span> Paul F. Goldsmith教授總結說。 

      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在內的國內其它多個科研院所和高校 (中國科學院國家天文臺、北京大學、云南大學,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。 

      1:大質量恒星(質量大于8倍太陽質量)主導了整個星系的光度;是銀河系內部紫外光子的主要來源;形成和演化過程中產生的強星風、大質量外向流、膨脹的電離氫區,以及死亡后產生的超新星爆發等深刻影響著星系的內部結構形成與演化。 

      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 

     

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