利用智利阿爾瑪天文臺(tái)，由MPIA的Henrik Beuther領(lǐng)導(dǎo)的一組天文學(xué)家進(jìn)行了迄今為止最詳細(xì)觀測，觀察到巨大的氣體云如何坍塌成稠密的核心，這些核心又成為恒星的誕生地。天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，碎片形成的機(jī)制相當(dāng)簡單，這是由云層的壓力和重力共同作用的結(jié)果。更復(fù)雜的特征，如磁力線或湍流，所起的作用比之前認(rèn)為的要小。當(dāng)巨大的氣體云和塵埃坍塌時(shí)，恒星就誕生了。每當(dāng)其中一個(gè)坍縮區(qū)域變得足夠熱和稠密，足以發(fā)生核聚變時(shí)，一顆恒星就誕生了。對(duì)于大質(zhì)量恒星，也就是那些質(zhì)量是太陽8倍以上的恒星來說，這只是問題的一部分。宇宙中最大的恒星不是單個(gè)誕生的，它們是由大量的分子氣體云團(tuán)形成，這些分子氣體云團(tuán)形成了一系列的碎片，其中許多碎片產(chǎn)生了一顆恒星。

博科園-科學(xué)科普：天文學(xué)家長期以來一直想知道，這種形成恒星的碎片模式是否需要不同于低質(zhì)量恒星的物理機(jī)制。建議包括可能破壞一個(gè)地區(qū)穩(wěn)定并導(dǎo)致更快坍塌的湍流氣體運(yùn)動(dòng)，或者可以穩(wěn)定從而推遲坍塌的磁場。不同的機(jī)制應(yīng)該會(huì)在多顆恒星形成區(qū)域留下痕跡。導(dǎo)致大質(zhì)量恒星形成的坍縮是在不同層次上發(fā)生的。在最大的尺度上，恒星的形成涉及到巨大的分子云，這些分子云主要由氫氣組成，直徑可達(dá)幾十光年到100多光年。在這些云團(tuán)中有一些密度稍高的團(tuán)塊，通常直徑幾光年。每個(gè)團(tuán)塊包含一個(gè)或多個(gè)致密核，直徑小于1 / 5光年。在每個(gè)核心內(nèi)，坍縮會(huì)導(dǎo)致單個(gè)恒星或多個(gè)恒星的形成。一起，在單個(gè)星團(tuán)的核心產(chǎn)生的恒星將形成一個(gè)星團(tuán)。

星云碎片的尺度

這種碎片在多個(gè)級(jí)別上的規(guī)模取決于所涉及的機(jī)制。最簡單的模型只需要高中物理就能寫下來：理想氣體的壓強(qiáng)取決于它的溫度和密度。在簡化后的氣體云中，假設(shè)其密度恒定，壓力必須足夠強(qiáng)大，足以平衡重力(由牛頓引力定律給出)——甚至在云的中心，那里所有周圍物質(zhì)的向內(nèi)引力誘導(dǎo)的推力是最強(qiáng)。把這個(gè)條件寫下來，你會(huì)發(fā)現(xiàn)任何這樣的等密度云只能有一個(gè)最大的大小。如果一朵云大于這個(gè)最大值，就會(huì)碎裂并坍縮。年輕大質(zhì)量星團(tuán)的碎片化真的是由這些相對(duì)簡單的過程所主導(dǎo)嗎？這是不需要的，一些天文學(xué)家已經(jīng)構(gòu)建了更復(fù)雜的場景，包括湍流氣體運(yùn)動(dòng)和磁場線的影響。

這些額外的機(jī)制改變了云穩(wěn)定性的條件，并且通常增加了不同類型片段的規(guī)模。對(duì)云大小的不同預(yù)測提供了一種方法，可以將簡單的物理場景與更復(fù)雜的競爭對(duì)手進(jìn)行對(duì)比。這就是Henrik Beuther和同事在觀察天蝎座南部恒星形成區(qū)域G351.77-0.54時(shí)所做的。以前的觀察表明，在這一地區(qū)，可以在行動(dòng)中發(fā)現(xiàn)碎片。但這些觀測都不足以顯示出最小尺度的興趣來回答碎片尺度問題：原恒星核心，更不用說它們的子結(jié)構(gòu)了。

阿爾瑪做了最詳細(xì)的觀測

天文學(xué)家使用了位于智利阿塔卡馬沙漠的ALMA（阿爾瑪）天文臺(tái)。ALMA將66臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)觀測到的數(shù)據(jù)結(jié)合起來，可以達(dá)到20毫秒以下的分辨率，這使得天文學(xué)家能夠辨別比以往任何射電望遠(yuǎn)鏡都要小十倍以上的細(xì)節(jié)，并且具有無與倫比的靈敏度——這種結(jié)合已經(jīng)在其他領(lǐng)域產(chǎn)生了許多突破性的觀測結(jié)果Beuther和同事利用ALMA將大質(zhì)量恒星形成區(qū)域G351.77-0.54縮小到小于50個(gè)天文單位的亞核尺度(即小于地球到太陽平均距離的50倍)。這是技術(shù)如何推動(dòng)天文進(jìn)步的一個(gè)主要例子。

如果沒有ALMA前所未有的空間分辨率和靈敏度，我們不可能獲得的結(jié)果。研究結(jié)果，再加上之前對(duì)同一塊星云進(jìn)行的更大規(guī)模研究，表明熱氣體物理學(xué)正在贏得勝利，即使是對(duì)質(zhì)量非常大的恒星來說也是如此：正如新觀測結(jié)果所顯示的那樣，星云內(nèi)團(tuán)塊的大小，以及團(tuán)塊內(nèi)核甚至一些核子結(jié)構(gòu)的大小，不需要額外的成分。在案例中，同樣的物理學(xué)提供了一個(gè)統(tǒng)一的描述。從最大尺度到最小尺度的碎裂似乎是由相同的物理過程控制。

小吸積盤，新挑戰(zhàn)

對(duì)于科學(xué)描述來說，簡單總是一件好事。然而同樣的觀測也提供了一個(gè)讓天文學(xué)家們保持警覺的發(fā)現(xiàn)。除了研究碎片化，Beuther等人還一直在試圖解開云中的新生恒星(“原恒星”)結(jié)構(gòu)。天文學(xué)家預(yù)計(jì)這樣的一顆原恒星將被一個(gè)叫做吸積盤的旋轉(zhuǎn)氣體盤所包圍。從邊緣的內(nèi)圓盤，氣體落在正在生長的恒星上，增加質(zhì)量。此外電離氣體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁場與氣體本身相互作用，產(chǎn)生被稱為射流的緊密聚焦流，射流將一些物質(zhì)射入垂直于圓盤的空間。

來自這些區(qū)域的亞毫米光攜帶著塵埃運(yùn)動(dòng)的信號(hào)(“譜線的多普勒展寬”)，而塵埃的運(yùn)動(dòng)反過來又追蹤著氣體的運(yùn)動(dòng)。但是，當(dāng)伯瑟和合作者希望從吸積盤上得到一個(gè)清晰的信號(hào)時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)了主要是噴射流的信號(hào)，在周圍的氣體中開辟了一條相對(duì)平坦的路徑。顯然，吸積盤比天文學(xué)家預(yù)期的還要小——這對(duì)未來更高空間分辨率的觀測是一個(gè)挑戰(zhàn)。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自：馬克斯普朗克協(xié)會(huì)

參考期刊文獻(xiàn):《天文學(xué)和天體物理學(xué)》

DOI: 10.1051/0004-6361/201834064

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