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

近日，中科院上海天文臺(tái)副研究員呂行與云南大學(xué)、美國(guó)哈佛—史密森天體物理中心、德國(guó)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(cè)數(shù)據(jù)，在銀河系中心方向發(fā)現(xiàn)一個(gè)被周圍天體近距離掠過(guò)、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(guò)程類似，兩者都會(huì)經(jīng)歷吸積盤和飛掠等過(guò)程。5月30日，相關(guān)研究在《自然—天文學(xué)》發(fā)表。

飛掠過(guò)程的數(shù)值模擬 受訪者供圖

誰(shuí)動(dòng)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(guó)科學(xué)報(bào)》，“新生恒星通過(guò)吸積盤持續(xù)地從環(huán)境中聚集氣體，才能逐漸長(zhǎng)大?！?/p>

太陽(yáng)是顆普通恒星，對(duì)類似太陽(yáng)恒星的形成過(guò)程，天文學(xué)家們已經(jīng)積累了數(shù)十年的研究，對(duì)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(yáng)的幾十倍。尤其是30倍太陽(yáng)質(zhì)量以上的早型O型星，它們可以通過(guò)劇烈的輻射、星風(fēng)和超新星爆發(fā)等反饋?zhàn)饔?，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(guò)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(wèn)題一直困擾著天文學(xué)家。

發(fā)現(xiàn)“大號(hào)餐盤”

和太陽(yáng)系這樣僻靜的星系邊緣相比（太陽(yáng)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(lái)自Sgr A*和周圍星團(tuán)的強(qiáng)潮汐作用讓氣體無(wú)法安定下來(lái)，也難以孕育新的恒星。

不過(guò)，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(gè)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(zhǎng)。

“銀河系中心區(qū)域的恒星形成過(guò)程，可能與我們所熟悉的太陽(yáng)系周邊造星過(guò)程不同。”呂行解釋說(shuō)，“然而，因?yàn)殂y河系中心區(qū)域距離地球太遠(yuǎn)，而且銀河系中心和太陽(yáng)系之間又有復(fù)雜的前景氣體遮擋，這讓觀測(cè)銀河系中心恒星形成區(qū)域非常困難?！?/p>

要弄清銀河系中心恒星形成過(guò)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(duì)利用位于南美洲智利的ALMA干涉陣，對(duì)銀河系中心區(qū)域開(kāi)展了長(zhǎng)基線觀測(cè)，其分辨率達(dá)到了40毫角秒。

“這樣分辨率下的觀測(cè)精度，就像我們站在上海，能清楚地看到北京的一顆足球?！眳涡薪忉屨f(shuō)。

果然，借助高分辨率、高靈敏度觀測(cè)，研究人員看到一個(gè)大號(hào)吸積盤，它的半徑是地球到太陽(yáng)距離的2000倍。通過(guò)研究吸積盤轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，團(tuán)隊(duì)推算出盤中心恒星的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)它是有32倍太陽(yáng)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(duì)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(gè)大塊頭恒星和太陽(yáng)這樣的普通恒星一樣，也是通過(guò)吸積盤“進(jìn)食”的。

還原萬(wàn)年前的“邂逅”

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

“這種旋臂結(jié)構(gòu)在星系盤中常見(jiàn)，但在原恒星盤中較為罕見(jiàn)?！痹撜撐耐ㄓ嵶髡咧弧⒃颇洗髮W(xué)副教授李廣興解釋說(shuō)，“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(gè)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(gè)可能的解釋是：旋臂是受到外部擾動(dòng)產(chǎn)生的?！?/p>

進(jìn)一步觀測(cè)中，研究者在這個(gè)吸積盤周圍幾千個(gè)天文單位遠(yuǎn)的地方，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)3倍太陽(yáng)質(zhì)量的天體，它可能就是外部擾動(dòng)的來(lái)源。

為驗(yàn)證這一猜想，研究人員利用解析計(jì)算，檢查了這個(gè)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(dòng)吸積盤。然后他們?cè)谏虾Ｌ煳呐_(tái)的高性能超級(jí)計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，利用數(shù)值模擬追蹤了這一軌跡，重現(xiàn)了這個(gè)天體在一萬(wàn)多年前掠過(guò)吸積盤、并在吸積盤中攪出旋臂結(jié)構(gòu)的完整過(guò)程。

最終，解析計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果均與觀測(cè)結(jié)果完全對(duì)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(guò)程留下的遺跡。

該發(fā)現(xiàn)證實(shí)，與太陽(yáng)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(dòng)造成餐盤變形、進(jìn)食節(jié)奏擾亂。

“也就是說(shuō)，大小恒星的早期形成過(guò)程經(jīng)歷了同樣的吸積盤、飛掠擾動(dòng)等過(guò)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(guò)程中一些物理機(jī)制是統(tǒng)一的。”

這為解開(kāi)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(duì)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(cè)申請(qǐng)，“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(gè)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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