天文學家初步揭開大質量恆星形成區神秘面紗

恆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。離我們最近的太陽只是一個比較小的矮星。比太陽更大的大質量恆星（質量大於八個太陽）雖然稀少，但卻影響巨大。然而，大質量恆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劉鐵博士領導的國際研究團隊，利用阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波射電望遠鏡陣列（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，縮寫 ALMA)，開展了針對大質量恆星形成區的三毫米觀測項目（ ALMA Three-millimeter Observations of Massive Star-forming regions，簡稱 ATOMS），首次對一百四十六個活躍的恆星形成區進行了超高分辨率的觀測。該項目是目前ALMA在三毫米波段進行的樣本最大的大質量恆星形成區觀測項目，將系統揭開這些區域稠密分子氣體的分佈及大質量恆星形成的面紗。

研究團隊首次基於光學薄的同位素分子譜線研究了稠密分子的恆星形成定律；揭露了不同相的氣體在空間分佈上的異同；並發現了序列大質量恆星形成，即在同一片分子雲中，大質量恆星的形成過程存在明顯的先後順序。

大部分大質量恆星形成的區域分佈在遠離太陽系（>3,260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/亞毫米波射電望遠鏡陣列，才能夠細緻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，缺乏系統的大樣本觀測研究。

此前觀測顯示，分子雲中最緻密的部分才是恆星形成的場所。因此，揭露分子雲中稠密分子氣體的分佈是研究恆星形成的關鍵。然而，受限於分辨率，之前並沒有對大質量恆星形成區內部稠密分子分佈進行系統研究。

正是由於這些存在的問題，劉鐵於2019年就萌生了一個想法，計劃利用ALMA開展大樣本的大質量恆星形成區觀測項目。

ATOMS項目獲取了大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露分子雲中更加稠密的氣體。

ATOMS項目組首次利用了光學薄的同位素分子譜線研究稠密分子的恆星形成定律。研究發現，不同分子雲中相同質量的稠密氣體能形成的恆星質量幾乎相當。與此同時，他們也證實了光厚譜線完全不能顯示分子雲內部最緻密的部分：分子雲核，那裡是孕育恆星胚胎的直接場所；光薄譜線卻能較好地揭示分子雲核在分子雲中的空間分佈。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顯示分子雲整體的稠密氣體質量和恆星形成率。

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佈上存在較大差異。他們首次在一個大質量恆星形成區G9.62+0.19，探測到了廣泛分佈的一氧化矽窄線發射。對此，劉鐵解釋道，這表明該區域存在大範圍的低速激波，而這些激波的產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。

劉鐵表示，我們發現大質量恆星並非最早形成於分子雲的中心，這與理論預言不同，對當前的大質量恆星形成理論提出了挑戰，同時他們還發現，已經形成的大質量恆星會顯著改變母分子雲中氣體的分佈，並可能觸發新一代大質量恆星的形成。未來，我們還將利用ATOMS數據進行更多統計性研究，系統研究大質量恆星的形成機制及對星際介質的反饋。

美國噴射推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory）的資深教授保羅·戈德史密斯（Paul F. Goldsmith）指出，這一百四十多個恆星形成區的高分辨率圖像將有助於研究分子雲中正在形成恆星的核心緻密區域的性質，以及研究這些緻密區域與孕育下一代恆星的更大尺度的分子雲的關係。

【圖：中國科學院上海天文台；文：節錄自科學網頁；新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在2020年6月6日出版的英國《皇家天文學會月報》