中國天文學家建立最大規模熱核天體樣本庫

星際中復雜有機分子與恆星形成、生命起源等重大問題息息相關。 因此，開展宇宙複雜有機分子研究，對於含有大量有機分子的熱核進行觀測，是研究天體化學、大質量恆星形成及宇宙生命起源的基礎。

由中國科學院上海天文台研究員劉鐵牽頭的大質量恆星形成區3毫米觀測項目，通過分析阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列射電望遠鏡（Atacama Large Millimeter Array - ALMA Radio Telescope）的觀測數據，對100多個熱核候選天體進行證認，建立國際最大的高分辨率熱核樣本庫，為開展大質量恆星形成與分子天體化學研究提供了絕佳樣本源，他們首次系統發現熱核中普遍存在的氮氧分離現象，為研究地球碳虧損問題提供了大量樣本。

構成生命體的複雜有機分子早在太陽誕生之前就存在於宇宙中，但人們對產生機制一直不明確，要弄清這一機制，必須有足夠大的觀測樣本。

在大質量恆星形成過程中，分子雲坍縮形成緻密雲核和大質量原恆星，重力勢能轉化的熱能，或大質量原恆星的輻射加熱周圍星際物質就形成熱核。 熱核是具有豐富有機分子輻射的分子雲核，具有高溫氣體和緻密結構特徵。天文學家認為，熱核是大質量恆星形成的中間階段，能顯示大質量原恆星最直接的物理和化學環境變化蹤跡。

劉鐵指出， 目前在星際空間中探測到的有機分子，絕大部分處在熱核中。因此，熱核堪稱高效的宇宙化工廠。由於星際空間中復雜有機分子與生命前化學息息相關，因此開展宇宙複雜有機分子研究可以增進人們對天體化學理解的認識，進而對大質量恆星形成、宇宙生命起源研究提供有力支撐。

該項目組利用世界上最先進的阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列射電望遠鏡，對距地球幾百秒差距（Parsec，1 秒差距大約等於3.2光年）至上千秒差距範圍的天體進行系統普查，對146個大質量恆星形成區進行系統的熱核搜尋和證認，並從裡面挑出100多個候選體，這是國際上首次對熱核的大樣本、高分辨率研究。

劉鐵說：「我們通過對高達2TB數據的分析處理，得到近500GB的壓縮數據，建立了目前國際上最大的熱核樣本庫。」

以往天文學家對熱核的研究多採用大量單獨天線觀測數據。 由於單獨天線觀測的波束稀釋效應，觀測無法分辨分子雲中的熱核。劉鐵表示，單獨天線觀測就像用一台像素極低的相機從空中對一座化工廠拍照，只能拍到模糊的影像，無法分辨工廠內部建築細節及生產經營狀況，因此，僅通過單天線觀測不能得到準確的熱核物理化學性質。

以往干涉陣射電望遠鏡觀測主要針對個別熱核天體，天文學家對每個天體、每次觀測都定制不同的空間分辨率和譜線設置，因此，很難通過以往的研究方式和數據得出具有統計意義的比較研究結果。

為了解決上述問題，該項目組成員、雲南大學秦勝利教授帶領的團隊對熱核候選體進行模型計算，重點考察其中三種複雜有機分子：含氮有機分子乙基氰、含氧有機分子甲酸甲酯和甲醇。

秦勝利指出，這些複雜有機分子譜線通常在比較高的密度和溫度條件下才激發，此前它們主要在熱核中探測到，是常用的熱核分子探針。這項工作中，我們證認了60個熱核（其餘熱核候選體有待進一步確認），其中有45個是本次新發現的熱核。

在對這60個熱核化學性質的進一步研究，他們分析熱核和電離氫區的相對位置，發現這些熱核的加熱源各不相同。

秦勝利解釋：「 60個熱核中，有36個周圍沒有電離氫區，加熱源來自內部，屬於內部加熱。其餘24個緊臨電離氫區，是外部加熱的熱核，屬於外部加熱。該研究發現接近40%的熱核屬於外部加熱，這對大質量恆星形成演化序列提出挑戰，顯示熱核也許不是大質量恆星形成的直接前身。」

研究還發現，外部加熱生產乙基氰的效率要明顯高於內部加熱。 即外部加熱的雲核中乙基氰含量更高，而外部加熱與內部加熱生產甲酸甲酯的效率並沒顯著異同，其原因有待進一步研究。

憑藉阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列射電望遠鏡的超高位置精度，該研究發現60個熱核中，29個有明顯的氮氧分離現象，即含氧有機分子與含氮有機分子的空間分佈不同。 而此項工作之前，天文學家僅發現不到5個存在氮氧空間分離的熱核。

秦勝利說： 「研究首次系統地發現熱核中普遍存在的氮氧分離現象，這為開展地球碳虧損（Earth carbon deficit）研究提供依據。」

地球碳虧損現像一直是個未解之謎，研究發現地球上的碳元素豐度比星際塵埃或彗星低近4個數量級，科學家認為起因可追溯至行星和恆星形成過程。

秦勝利認為，在恆星形成過程中，冰相氮氧有機分子會在不同溫度下蒸發和破壞，導致氮氧分離，此過程間接導致碳在不同區域具有不同程度的損耗。 因此，熱核中觀測到的氮氧分離現像有可能解釋地球的碳虧損問題。

劉鐵展表示，平方公里陣列射電望遠鏡（Square Kilometer Array）是中國參與的最大的國際天文大科學裝置。研究星際有機分子產生機制並探究宇宙生命起源是平方公里陣列射電望遠鏡的主要科學目標之一。今次發現的這些熱核是未來平方公里陣列射電望遠鏡觀測的重要目標源。目前，大質量恆星形成區3毫米觀測項目組正利用高質量數據，從統計學角度深入研究大質量恆星形成，特別關注大質量原恆星的吸積及反饋過程。

【圖：中國科學院上海天文台；文：節錄自科學網頁；新聞資訊由林景明提供】研究全文將，刊登在2022年1月29日出版的英國《皇家天文學會月報》 ；標題是：ATOMS: ALMA Three-millimeter Observations of Massive Star-forming regions – VIII. A search for hot cores by using C2H5CN, CH3OCHO, and CH3OH lines