恒星有大有小“童年經歷”相似

在恒星形成過程中，新生恒星周圍會產生“吸積盤”。吸積盤也被稱為“原恒星盤”，是恒星形成過程中的關鍵一環，研究吸積盤對理解這些大質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、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者合作，利用阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡（ALMA）的高分辨率觀測數據，在銀河系中心方向發現一個被周圍天體近距離掠過、從而產生旋臂結構的大質量新生恒星吸積盤。該發現證明了大質量恒星與小質量恒星的形成過程類似，兩者都會經歷吸積盤和飛掠等過程。5月30日，相關研究在《自然—天文學》發表。

飛掠過程的數值模擬       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’，把發育所需的養分不斷地傳送給恒星寶寶。”該論文第一作者呂行告訴《中國科學報》，“新生恒星通過吸積盤持續地從環境中聚集氣體，才能逐漸長大。”

太陽是顆普通恒星，對類似太陽恒星的形成過程，天文學家們已經積累了數十年的研究，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倍太陽質量以上的早型O型星，它們可以通過劇烈的輻射、星風和超新星爆發等反饋作用，改變銀河系內星際介質的物理和化學性質，從而影響星系的演化。因此，理解這些大質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家。

發現“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。這里不但有超大質量黑洞Sgr A*，還有稠密的氫分子氣體，它們為大質量恒星形成提供了豐富的原材料。但來自Sgr A*和周圍星團的強潮汐作用讓氣體無法安定下來，也難以孕育新的恒星。

不過，此前天文學家在銀河系中心意外發現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境下，恒星寶寶們依然能茁壯成長。

“銀河系中心區域的恒星形成過程，可能與我們所熟悉的太陽系周邊造星過程不同。”呂行解釋說，“然而，因為銀河系中心區域距離地球太遠，而且銀河系中心和太陽系之間又有復雜的前景氣體遮擋，這讓觀測銀河系中心恒星形成區域非常困難。”

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鏡才行。為此，呂行牽頭的科研團隊利用位于南美洲智利的ALMA干涉陣，對銀河系中心區域開展了長基線觀測，其分辨率達到了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。通過研究吸積盤轉動的速度，團隊推算出盤中心恒星的質量，發現它是有32倍太陽質量的“大塊頭”。

這是目前發現的質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域的原恒星盤的直接成像。研究者發現，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“進食”的。

還原萬年前的“邂逅”

更加出乎意料的是，研究人員發現這個吸積盤有一對明顯的旋臂結構。

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

進一步觀測中，研究者在這個吸積盤周圍幾千個天文單位遠的地方，發現了一個3倍太陽質量的天體，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，發現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平臺上，利用數值模擬追蹤了這一軌跡，重現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構的完整過程。

最終，解析計算和數值模擬結果均與觀測結果完全對應。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。

該發現證實，與太陽這類小質量恒星類似，大塊頭恒星寶寶同樣以吸積盤作為餐盤，進食可能被外部天體所擾動造成餐盤變形、進食節奏擾亂。

“也就是說，大小恒星的早期形成過程經歷了同樣的吸積盤、飛掠擾動等過程，有類似的‘童年經歷’”。呂行解釋道，“盡管質量有大小之分，但是恒星形成過程中一些物理機制是統一的。”

這為解開大質量恒星形成之謎提供了重要線索，該文章審稿專家認為，“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。”

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