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      上海天文台初步揭開大質量恒星形成區的神秘面紗

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

        

        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)”。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台刘铁博士领衔的国际团队,利用世界上最先进的毫米波/亞毫米波幹涉陣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雲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;並發現了“序列大質量恒星形成”,即在同一片分子雲中,大質量恒星的形成過程存在明顯的先後順序。  

        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,環境複雜。只有超高分辨率和超高靈敏度的毫米波/亞毫米波望遠鏡幹涉陣列(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,分子雲中最致密(AV>8 mag)的部分才是恒星形成的場所。因此,揭示分子雲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,之前並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。”劉鐵說。  

      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)。“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雲中更加稠密的氣體。”論文的第二作者,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)。”

        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,星系尺度或者分子雲尺度中,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。“光厚的譜線發射主要來自于分子雲的表層區域,那裏密度較低。因此光學厚的譜線無法探究分子雲內部的超致密結構,從而大大低估了分子雲的氣體密度和質量。”劉鐵進一步解釋,“相反,光學薄的分子發射可以穿透層層迷霧,直達分子雲內部核心。”   

        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,不同分子雲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雲內部最致密的部分——分子雲核,那裏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雲核在分子雲中的空間分布。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雲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+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個重要问题。” 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,認爲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項目组发现,稠密分子气体、电离气体簣Dげㄗ饔玫钠逶诳占浞植忌洗嬖诮洗蟛钜(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矽(SiO)窄線發射。對此,劉鐵解釋道,這表明該區域存在大範圍的低速激波,而這些激波的産生可能與電離氫區的膨脹或者大範圍氣體流間的碰撞有關。 

       

      1ATOMS項目观测的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 毫米的连续谱圖像。等值线或者亮度最强的地方正形成大质量恒星。

        

      3. 大質量恒星形成區G9.62+0.19中气体分布。紅色为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。綠色爲一氧化矽發射線,示蹤了大範圍的激波。藍色爲HCO+ J=1-0示蹤的稠密分子氣體。

        在尺寸爲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,大質量恒星並非最早形成于分子雲的中心,這與理論預言不同,爲當前的大質量恒星形成理論提出了挑戰。”他們還發現,已經形成的大質量恒星會顯著改變母分子雲中氣體的分布,並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。”劉鐵表示。“這140多個恒星形成区的高分辨率圖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教授總結說 

        ATOMS項目的参与人员包括来自上海天文台的开心五月婷婷中文字幕在线播人员(劉鐵、沈志強、王均智、李尚活、李娟和朱逢堯),来自包括我国台湾地区在内的国内其它多個开心五月婷婷中文字幕在线播院所和高校 (中國科學院国家天文台、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开心五月婷婷中文字幕在线播单位的合作者。 

        1:大质量恒星(質量大于8倍太阳质量)主导了整個星系的光度;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,以及死亡後産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。 

        开心五月婷婷中文字幕在线播文章鏈接: 

        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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