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食欲比想象中大,原恒星靠“脐带”进食远方物质

  在一片星云中,一团物质流沿着龙卷风一样的螺旋轨迹,逐渐向中心聚拢下落,最终融入星云中心一个扁平的气体圆盘上。在圆盘中心,孕育着一颗尚未诞生的“恒星宝宝”。为了长大,这颗“恒星宝宝”不断从圆盘中“进食”以获取各种各样的物质。

  现在,科学家发现“恒星宝宝”的“食物”不仅来源于圆盘的中心区域,也能直接来源于包裹恒星的云团最外层。近日,在对英仙座分子云的观测中,来自德国马克斯·普朗克地外物理研究所和欧洲毫米波射电研究所的科学家首次发现一条明亮的物质流,它把云核的最外层与圆盘的中心区域连接起来,就像一条“传送带”或婴儿的“脐带”。年轻的原恒星及其原行星盘能够通过这条“脐带”直接获取云核最外层的“营养物质”。

  恒星形成于星系中的分子云,这些分子云主要由氢分子组成。分子云内部最致密的部分被称为分子云核。“分子云核在自身引力作用下会坍缩形成原恒星。云核在自身的角动量和磁场作用下,会渐渐扁平化,并在云核内部形成环绕原恒星的吸积盘。”中国科学院上海天文台副研究员刘铁博士告诉科技日报记者。

  刘铁表示,“脐带”实际上是一条连接原恒星吸积盘与分子云核的纽带。吸积盘的直径小于300个日地距离,而云核的直径可达上万个日地距离。这条纽带把远离吸积盘的气体传送到吸积盘上,为吸积盘提供了新鲜的养分,帮助“恒星宝宝”长大。

  “‘脐带’的一端直接与吸积盘相连,另一端则延伸到云核的外延,可能与更大尺度的分子云结构相连。”刘铁解释道,“脐带”的动能来源主要是靠近原恒星附近的超致密气体包层的万有引力。在引力作用下,远处的气体会被吸引拖拽,形成“传送带”这样的带状结构。

  也就是说,“脐带”运输的物质为恒星的诞生提供了气体养分,原恒星得以继续成长。从某种意义来讲,这条纽带与胎儿相连的脐带一样,不断为“恒星宝宝”输送新鲜“养分”。

  “经典的恒星形成理论均假定恒星形成于一个孤立的云核,云核形成恒星的过程与周围环境毫不相干。但是,近些年这种准静态的恒星形成模式越来越受到观测的挑战。”刘铁说。

  特别是赫歇尔空间天文台对一些邻近巨分子云的观测,显示出分子云都呈现网状结构,而云核都处在这些网中最致密的丝状结构里。“云核与云核之间由丝状结构相连。”刘铁告诉科技日报记者,这些丝状结构就可能会起到传送带的效果,为云核不断传输气体。

  刘铁表示,之前没有观测到这些丝状结构,可能是因为分子探针条件的限制。“之前采用的一些分子探针由于激发条件的限制不适合探测‘脐带’上的气体。而此次研究团队所采用的分子探针丙炔腈是一种长碳链分子,其化学特性很适合研究这些密度比较低而且没有经历复杂化学过程的气体结构。”他补充道。

  中国科学院国家天文台星际介质及恒星形成团组研究员吴京文在接受科技日报记者采访时表示,此次研究人员能观测到“脐带”结构,也离不开望远镜的功劳。他们使用的是北方扩展毫米波阵列(NOEMA)。“NOEMA的灵敏度和分辨率仅次于阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜(ALMA),能够观测特定的分子谱线。”

  另外,观测的时机也很重要。“也许恒星诞生早期都存在这样的‘脐带’,但不一定正好在这一时期被观测到,而且这样的‘脐带’存在的时标也不确定有多长。”吴京文说。

  刘铁认为,此次研究的意义在于,首次发现了原恒星吸积盘与分子云核直接的连接,证明吸积盘可以通过这些关似于传送带的结构不断从分子云核本身甚至是更大尺度的分子云结构中汲取物质,源源不断地为原恒星的成长补充新鲜养分。

  “这次发现也证明了恒星形成是一个动态的过程,是与周围环境不断相互作用的一个过程。”刘铁表示,这些发现对研究吸积盘自身的引力不稳定性以及不对称性等都具有重要的意义。

  吴京文表示,在今后的恒星形成理论研究中,也需要考虑“脐带”这一机制的存在。“原恒星通过‘脐带’可以大规模地把物质直接从分子云核外围吸积过来。在这一过程中,外围物质并没有与小尺度环境中的物质混合、演化,仍保留了原来的化学特征。这一发现体现了大尺度云核环境对小尺度行星盘和原恒星形成环境的影响。”

  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”。关于恒星的诞生,还有许多亟待解答的问题。

  比如,什么样的分子云核有能力形成恒星?刘铁表示,并非所有的分子云核都有能力形成恒星。寻找能够形成恒星的分子云核一直是恒星形成领域研究的重要课题。

  自2015年起,由刘铁领衔、来自十余个国家的160余名专家学者组成的国际团队“SCOPE”利用麦克斯韦望远镜(JCMT)对13188个冷尘埃团块(普朗克冷团块)进行了迄今为止最大规模的高分辨率普查。该大型观测项目“SCOPE”获得了1000余个普朗克冷团块在850微米波长处的连续谱图像,并从中探测到3500多个致密的冷分子云核。“这些冷分子云核是真正孕育恒星胚胎的场所。”刘铁说道。

  宇宙中第一代恒星是何时诞生的?现在又在哪?受限于观测设备,到目前为止,我们仍然没有发现任何一颗来自于宇宙早期的第一代恒星。科学家推测,第一代恒星的金属丰度极低,虽然已经找到了许多“贫铁”的恒星,但仍没有一颗恒星的铁元素丰度符合理论预测。找到第一代恒星,或许就能帮助我们揭示宇宙早期,甚至是宇宙诞生的种种谜团。

  恒星的谜团数不胜数。诞生恒星的云核是何时以及如何开始坍缩的?原恒星周围的吸积盘是何时以及如何形成的?与生命有关的一些大的有机分子是如何在恒星形成过程中产生的?

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