來源：【科學(xué)網(wǎng)】

在恒星形成過程中，新生恒星周圍會產(chǎn)生“吸積盤”。吸積盤也被稱為“原恒星盤”，是恒星形成過程中的關(guān)鍵一環(huán)，研究吸積盤對理解這些大質(zhì)量恒星的形成過程具有重要意義。

近日，中科院上海天文臺副研究員呂行與云南大學(xué)、美國哈佛—史密森天體物理中心、德國馬克斯普朗克研究所學(xué)者合作，利用阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡（ALMA）的高分辨率觀測數(shù)據(jù)，在銀河系中心方向發(fā)現(xiàn)一個被周圍天體近距離掠過、從而產(chǎn)生旋臂結(jié)構(gòu)的大質(zhì)量新生恒星吸積盤。該發(fā)現(xiàn)證明了大質(zhì)量恒星與小質(zhì)量恒星的形成過程類似，兩者都會經(jīng)歷吸積盤和飛掠等過程。5月30日，相關(guān)研究在《自然—天文學(xué)》發(fā)表。

飛掠過程的數(shù)值模擬 受訪者供圖

誰動了“恒星寶寶的餐盤”

“吸積盤就像‘恒星寶寶的餐盤’，把發(fā)育所需的養(yǎng)分不斷地傳送給恒星寶寶?！痹撜撐牡谝蛔髡邊涡懈嬖V《中國科學(xué)報》，“新生恒星通過吸積盤持續(xù)地從環(huán)境中聚集氣體，才能逐漸長大?！?/p>

太陽是顆普通恒星，對類似太陽恒星的形成過程，天文學(xué)家們已經(jīng)積累了數(shù)十年的研究，對它們的吸積盤比較了解。

但銀河系里有些“大塊頭”恒星，體重是太陽的幾十倍。尤其是30倍太陽質(zhì)量以上的早型O型星，它們可以通過劇烈的輻射、星風(fēng)和超新星爆發(fā)等反饋作用，改變銀河系內(nèi)星際介質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)，從而影響星系的演化。因此，理解這些大質(zhì)量恒星的形成過程具有重要意義。

這些“大塊頭”恒星在誕生之初，是怎么“進(jìn)食”的？是否也有吸積盤作為它們的餐盤？這些問題一直困擾著天文學(xué)家。

發(fā)現(xiàn)“大號餐盤”

和太陽系這樣僻靜的星系邊緣相比（太陽系處于銀河系邊緣），銀河系中心像是吵鬧又奇異的鬧市區(qū)。這里不但有超大質(zhì)量黑洞Sgr A*，還有稠密的氫分子氣體，它們?yōu)榇筚|(zhì)量恒星形成提供了豐富的原材料。但來自Sgr A*和周圍星團(tuán)的強(qiáng)潮汐作用讓氣體無法安定下來，也難以孕育新的恒星。

不過，此前天文學(xué)家在銀河系中心意外發(fā)現(xiàn)了一大群恒星寶寶在吃飽喝足后的“飽嗝”——幾十個隱藏的外流。這意味著，在銀河系中心的熱鬧環(huán)境下，恒星寶寶們依然能茁壯成長。

“銀河系中心區(qū)域的恒星形成過程，可能與我們所熟悉的太陽系周邊造星過程不同?！眳涡薪忉屨f，“然而，因為銀河系中心區(qū)域距離地球太遠(yuǎn)，而且銀河系中心和太陽系之間又有復(fù)雜的前景氣體遮擋，這讓觀測銀河系中心恒星形成區(qū)域非常困難。”

要弄清銀河系中心恒星形成過程，必須選擇有極高分辨率和靈敏度的望遠(yuǎn)鏡才行。為此，呂行牽頭的科研團(tuán)隊利用位于南美洲智利的ALMA干涉陣，對銀河系中心區(qū)域開展了長基線觀測，其分辨率達(dá)到了40毫角秒。

“這樣分辨率下的觀測精度，就像我們站在上海，能清楚地看到北京的一顆足球。”呂行解釋說。

果然，借助高分辨率、高靈敏度觀測，研究人員看到一個大號吸積盤，它的半徑是地球到太陽距離的2000倍。通過研究吸積盤轉(zhuǎn)動的速度，團(tuán)隊推算出盤中心恒星的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)它是有32倍太陽質(zhì)量的“大塊頭”。

這是目前發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量最大的存在吸積盤的新生恒星之一，更是人們首次對銀河系中心區(qū)域的原恒星盤的直接成像。研究者發(fā)現(xiàn)，這個大塊頭恒星和太陽這樣的普通恒星一樣，也是通過吸積盤“進(jìn)食”的。

還原萬年前的“邂逅”

更加出乎意料的是，研究人員發(fā)現(xiàn)這個吸積盤有一對明顯的旋臂結(jié)構(gòu)。

“這種旋臂結(jié)構(gòu)在星系盤中常見，但在原恒星盤中較為罕見。”該論文通訊作者之一、云南大學(xué)副教授李廣興解釋說，“一般認(rèn)為這種旋臂結(jié)構(gòu)是吸積盤自身引力不穩(wěn)定，從而碎裂導(dǎo)致的。但我們發(fā)現(xiàn)，這個大質(zhì)量早型O型星的吸積盤中氣體溫度較高、湍流較強(qiáng)，足以維持吸積盤自身的穩(wěn)定性。因此，一個可能的解釋是：旋臂是受到外部擾動產(chǎn)生的。”

進(jìn)一步觀測中，研究者在這個吸積盤周圍幾千個天文單位遠(yuǎn)的地方，發(fā)現(xiàn)了一個3倍太陽質(zhì)量的天體，它可能就是外部擾動的來源。

為驗證這一猜想，研究人員利用解析計算，檢查了這個天體幾十種可能的歷史軌跡，發(fā)現(xiàn)只有在一種軌跡下它才可以擾動吸積盤。然后他們在上海天文臺的高性能超級計算機(jī)平臺上，利用數(shù)值模擬追蹤了這一軌跡，重現(xiàn)了這個天體在一萬多年前掠過吸積盤、并在吸積盤中攪出旋臂結(jié)構(gòu)的完整過程。

最終，解析計算和數(shù)值模擬結(jié)果均與觀測結(jié)果完全對應(yīng)。因此，可以確定該吸積盤中的旋臂很可能是周圍天體造訪過程留下的遺跡。

該發(fā)現(xiàn)證實，與太陽這類小質(zhì)量恒星類似，大塊頭恒星寶寶同樣以吸積盤作為餐盤，進(jìn)食可能被外部天體所擾動造成餐盤變形、進(jìn)食節(jié)奏擾亂。

“也就是說，大小恒星的早期形成過程經(jīng)歷了同樣的吸積盤、飛掠擾動等過程，有類似的‘童年經(jīng)歷’”。呂行解釋道，“盡管質(zhì)量有大小之分，但是恒星形成過程中一些物理機(jī)制是統(tǒng)一的?！?/p>

這為解開大質(zhì)量恒星形成之謎提供了重要線索，該文章審稿專家認(rèn)為，“在如此早的演化階段看到飛掠作用令人著迷……這類相互作用對吸積盤和行星的形成研究具有重大意義?！?/p>

目前，呂行等人已經(jīng)提交了新的ALMA觀測申請，“我們希望把分辨率再提高3倍，推到ALMA望遠(yuǎn)鏡的極限，看清這個吸積盤里隱藏的更多細(xì)節(jié)”。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41550-022-01681-4

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