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新恒星如何在星云坍塌发生核聚变时诞生?

利用智利阿尔玛天文台,由MPIA的Henrik Beuther领导的一组天文学家进行了迄今为止最详细观测,观察到巨大的气体云如何坍塌成稠密的核心,这些核心又成为恒星的诞生地。天文学家们发现,碎片形成的机制相当简单,这是由云层的压力和重力共同作用的结果。更复杂的特征,如磁力线或湍流,所起的作用比之前认为的要小。当巨大的气体云和尘埃坍塌时,恒星就诞生了。每当其中一个坍缩区域变得足够热和稠密,足以发生核聚变时,一颗恒星就诞生了。对于大质量恒星,也就是那些质量是太阳8倍以上的恒星来说,这只是问题的一部分。宇宙中最大的恒星不是单个诞生的,它们是由大量的分子气体云团形成,这些分子气体云团形成了一系列的碎片,其中许多碎片产生了一颗恒星。

新恒星如何在星云坍塌发生核聚变时诞生?

博科园-科学科普:天文学家长期以来一直想知道,这种形成恒星的碎片模式是否需要不同于低质量恒星的物理机制。建议包括可能破坏一个地区稳定并导致更快坍塌的湍流气体运动,或者可以稳定从而推迟坍塌的磁场。不同的机制应该会在多颗恒星形成区域留下痕迹。导致大质量恒星形成的坍缩是在不同层次上发生的。在最大的尺度上,恒星的形成涉及到巨大的分子云,这些分子云主要由氢气组成,直径可达几十光年到100多光年。在这些云团中有一些密度稍高的团块,通常直径几光年。每个团块包含一个或多个致密核,直径小于1 / 5光年。在每个核心内,坍缩会导致单个恒星或多个恒星的形成。一起,在单个星团的核心产生的恒星将形成一个星团。

星云碎片的尺度

这种碎片在多个级别上的规模取决于所涉及的机制。最简单的模型只需要高中物理就能写下来:理想气体的压强取决于它的温度和密度。在简化后的气体云中,假设其密度恒定,压力必须足够强大,足以平衡重力(由牛顿引力定律给出)——甚至在云的中心,那里所有周围物质的向内引力诱导的推力是最强。把这个条件写下来,你会发现任何这样的等密度云只能有一个最大的大小。如果一朵云大于这个最大值,就会碎裂并坍缩。年轻大质量星团的碎片化真的是由这些相对简单的过程所主导吗?这是不需要的,一些天文学家已经构建了更复杂的场景,包括湍流气体运动和磁场线的影响。

新恒星如何在星云坍塌发生核聚变时诞生?

  • NGC 3603大质量星团的图像,由甚大望远镜拍摄。它可能以与G351.77-0.54中刚刚形成的那个相同方式演化而来,这幅作品中描绘的物体就是G351.77-0.54。图片:ESO

这些额外的机制改变了云稳定性的条件,并且通常增加了不同类型片段的规模。对云大小的不同预测提供了一种方法,可以将简单的物理场景与更复杂的竞争对手进行对比。这就是Henrik Beuther和同事在观察天蝎座南部恒星形成区域G351.77-0.54时所做的。以前的观察表明,在这一地区,可以在行动中发现碎片。但这些观测都不足以显示出最小尺度的兴趣来回答碎片尺度问题:原恒星核心,更不用说它们的子结构了。

阿尔玛做了最详细的观测

天文学家使用了位于智利阿塔卡马沙漠的ALMA(阿尔玛)天文台。ALMA将66台射电望远镜同时观测到的数据结合起来,可以达到20毫秒以下的分辨率,这使得天文学家能够辨别比以往任何射电望远镜都要小十倍以上的细节,并且具有无与伦比的灵敏度——这种结合已经在其他领域产生了许多突破性的观测结果Beuther和同事利用ALMA将大质量恒星形成区域G351.77-0.54缩小到小于50个天文单位的亚核尺度(即小于地球到太阳平均距离的50倍)。这是技术如何推动天文进步的一个主要例子。

新恒星如何在星云坍塌发生核聚变时诞生?

如果没有ALMA前所未有的空间分辨率和灵敏度,我们不可能获得的结果。研究结果,再加上之前对同一块星云进行的更大规模研究,表明热气体物理学正在赢得胜利,即使是对质量非常大的恒星来说也是如此:正如新观测结果所显示的那样,星云内团块的大小,以及团块内核甚至一些核子结构的大小,不需要额外的成分。在案例中,同样的物理学提供了一个统一的描述。从最大尺度到最小尺度的碎裂似乎是由相同的物理过程控制。

小吸积盘,新挑战

对于科学描述来说,简单总是一件好事。然而同样的观测也提供了一个让天文学家们保持警觉的发现。除了研究碎片化,Beuther等人还一直在试图解开云中的新生恒星(“原恒星”)结构。天文学家预计这样的一颗原恒星将被一个叫做吸积盘的旋转气体盘所包围。从边缘的内圆盘,气体落在正在生长的恒星上,增加质量。此外电离气体运动产生的磁场与气体本身相互作用,产生被称为射流的紧密聚焦流,射流将一些物质射入垂直于圆盘的空间。

新恒星如何在星云坍塌发生核聚变时诞生?

来自这些区域的亚毫米光携带着尘埃运动的信号(“谱线的多普勒展宽”),而尘埃的运动反过来又追踪着气体的运动。但是,当伯瑟和合作者希望从吸积盘上得到一个清晰的信号时,却发现了主要是喷射流的信号,在周围的气体中开辟了一条相对平坦的路径。显然,吸积盘比天文学家预期的还要小——这对未来更高空间分辨率的观测是一个挑战。

博科园-科学科普|研究/来自:马克斯普朗克协会

参考期刊文献:《天文学和天体物理学》

DOI: 10.1051/0004-6361/201834064

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