天文學家發現大小恒星的「童年經曆」大同小異

2022年06月01日

近日，中國科學院上海天文台科研團隊與雲南大學、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了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。這一新發現證明了大質量恒星與小質量恒星的形成過程相類似，二者都會經曆吸積盤和飛掠等過程。該成果於5月30日在國際學術期刊《自然-天文》發表。

在恒星形成過程中，環繞著新生恒星的周圍會產生吸積盤。這個吸積盤，也被稱為「原恒星盤」，是恒星形成過程中的關鍵一環。新生恒星通過吸積盤持續地從環境中聚集氣體，逐漸長大。因此，吸積盤可以說是恒星誕生和成長的搖籃。天文學家對於類似太陽的小質量恒星吸積盤的研究已有數十年的曆史，觀測和理論結果都較為豐富，然而對於更大質量的恒星，尤其是30倍太陽質量以上的早型O型星，目前尚不清楚其形成過程中是否也存在吸積盤。這些更大質量的早期恒星遠比太陽明亮，光度可達太陽的數十萬倍，可劇烈影響整個星系的環境。因此，理解這些大質量恒星的形成過程具有重要意義。

銀河系的中心距離我們約2.6萬光年，是一個獨特而重要的恒星形成區域。這裏有超大質量黑洞Sgr

科研團隊利用位於南美洲智利的ALMA幹涉陣對銀河系中心區域開展了長基線觀測，分辨率達到了約40毫角秒。在這樣的分辨率下的觀測精度，就好比我們可以站在上海，卻能清楚地看到北京的一顆足球。借助這樣的高分辨率、高靈敏度觀測，研究人員在銀河系中心附近區域發現了一個直徑約4000天文單位的吸積盤正圍繞著一顆32倍太陽質量的早型O型星轉動。這是目前發現的質量最大的有吸積盤的原恒星之一，更是天文學家首次對銀河系中心的原恒星盤的直接成像。這項發現表明，大質量的早型O型星的形成過程中確實有吸積盤的參與，而且該結論在銀河系中心這樣的特殊環境下依然成立。

更加出乎意料的是，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。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。但是本次研究發現，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，研究人員認為存在另一個可能的解釋，即旋臂是受到外部擾動產生的。在這個吸積盤周圍幾千天文單位遠的地方，研究人員恰好發現了一個3倍太陽質量的天體，可能就是外部擾動的來源。為了驗證這一猜想，他們首先利用解析計算，檢查了這個天體幾十種可能的曆史軌跡，發現只有在一種軌跡下，它才可以擾動吸積盤。然後研究人員在上海天文台的高性能超級計算機平台上，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、並在吸積盤中攪出旋臂結構的完整過程。解析計算和數值模擬結果均與觀測結果完全對應，因此，這個吸積盤中的旋臂很可能是周圍天體造訪過程留下的遺跡。

這一發現充分說明，在恒星形成的早期階段，吸積盤演化會頻繁受到飛掠作用這樣的動力學過程的影響，從而顯著地影響恒星和行星的形成。本次的研究結果表明，對於更大質量的恒星，尤其在銀河系中心這樣的高恒星密度的環境中，這種飛掠作用應該極其頻繁。

作者：帥俊全