大质量恒星“出生”要排队 新观测挑战恒星形成理论

太阳对人类来说至关重要。然而，这颗距离我们最近的恒星只是银河系千亿颗恒星中普普通通的一员，是颗“个头”比较小的矮星。

宇宙中比太阳“个头”更大的恒星，特别是大质量恒星虽然稀少，却真正主宰着整个星系的命运。大质量恒星如何诞生一直是一个未解之谜。

近期，一个由中国科学院上海天文台研究员刘铁领衔的国际团队，利用阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜（ALMA），开展了针对大质量恒星形成区的3毫米观测项目（ATOMS项目），首次对146个活跃的恒星形成区进行了超高分辨率的观测，或将揭开这些分子云内部稠密分子气体分布及大质量恒星形成的面纱。相关研究成果已发表在《皇家天文学会月刊》上。

稠密气体“孕育”恒星有规可循

恒星往往诞生于星系内部的分子云中，大质量恒星也不例外，因此这类能够孕育恒星的分子云也被称为恒星形成区。

此前观测表明，分子云中最致密的部分——分子云核才是恒星形成的场所。因此，揭示分子云中稠密分子气体的分布，是研究恒星形成的关键。然而，受限于目前望远镜的分辨率，以往学界缺乏对大质量恒星形成区内部稠密分子分布的系统研究。

此次研究人员充分利用高分辨率的ALMA望远镜，在前人研究的基础上另辟蹊径，发现稠密气体孕育恒星的规律。

星系尺度或分子云尺度中，单位时间内形成的恒星质量（恒星形成率）与稠密分子探针（如氰化氢分子）的发射线光度存在线性关系，即“稠密分子的恒星形成定律”。

此前，该领域的研究均采用一些光学厚的分子谱线跃迁。所谓光学厚，意味着光在传输过程中被吸收或散射的比例较高。光学薄的分子谱线则相反。“光学厚的谱线发射主要来自于分子云的表层区域，那里密度较低。因此，仅凭借光学厚的谱线无法探究分子云内部的超致密结构，可能会大大低估分子云的气体密度和质量。”刘铁表示，“相反，光学薄的分子发射可以穿透层层迷雾，直达分子云内部核心。”

此次研究中，研究人员首次利用了光学薄的同位素分子谱线研究“稠密分子的恒星形成定律”。

他们发现，不同分子云中相同质量的稠密气体形成的恒星质量几乎相同。与此同时，他们也证实了光学厚谱线完全不能示踪分子云内部最致密的部分——分子云核，光学薄谱线却能较好地揭示分子云核在分子云中的空间分布。

研究人员还发现，在统计学意义上，光学厚谱线和光学薄谱线都可以很好地示踪分子云整体的稠密气体质量和恒星形成率。

空间分布与理论预测相反

更有趣的是，研究人员发现在同一片分子云中，大质量恒星的形成过程存在明显的先后顺序。

在直径为3.26光年的区域内，可以形成多达五代的大质量恒星，如大质量无星云核候选体、大质量原恒星、大质量热核、超致密电离氢区、膨胀的慧状电离氢区等。

“大质量恒星并不是孤立形成的，而是一团团地形成，即同一片分子云中很小区域内会形成很多大质量恒星。”刘铁进一步解释说，研究人员发现同一片分子云中形成的大质量恒星具有明显的年龄差，这就像家族繁衍一样，有一种“多世同堂”的味道。

“它们不仅形成时间上有先后顺序，在空间分布上也有明显的区别。这种情况很奇妙，还有待进一步探索。”刘铁说。

“值得一提的是，此次研究发现，大质量恒星并非最早形成于分子云中气体团块的引力中心，这与此前理论预测不同，对当前大质量恒星形成理论提出了挑战。”刘铁说。

以往一些理论模型认为，在一个分子云气体团块中，最大质量的恒星首先形成于气体团块的引力中心。这主要是因为中心区域的引力势最低，分子云中气体更容易掉落到引力中心，处在引力中心的分子云核更容易“获取原料”，所以会最先坍缩形成恒星。

此次研究结果却与理论预测相反，研究人员发现气体团块外围形成的大质量恒星演化阶段更晚，也就是说它们的年龄更大，而处于气体团块中心正在形成的大质量恒星却相对年轻。

“这与我们的之前的认知不符，当然这还需要更具信服力的统计性研究来确认。我们目前正在利用ATOMS数据来进行相关统计研究，如果这种现象很普遍的话，某些恒星形成理论或者模型就可能要彻底改写了。”刘铁说。