食慾比想象中大 原恆星靠“臍帶”進食遠方物質

在一片星雲中，一團物質流沿着龍捲風一樣的螺旋軌跡，逐漸向中心聚攏下落，最終融入星雲中心一個扁平的氣體圓盤上。在圓盤中心，孕育着一顆尚未誕生的“恆星寶寶”。為了長大，這顆“恆星寶寶”不斷從圓盤中“進食”以獲取各種各樣的物質。

現在，科學家發現“恆星寶寶”的“食物”不僅來源於圓盤的中心區域，也能直接來源於包裹恆星的雲團最外層。近日，在對英仙座分子云的觀測中，來自德國馬克斯·普朗克地外物理研究所和歐洲毫米波射電研究所的科學家首次發現一條明亮的物質流，它把雲核的最外層與圓盤的中心區域連接起來，就像一條“傳送帶”或嬰兒的“臍帶”。年輕的原恆星及其原行星盤能夠通過這條“臍帶”直接獲取雲核最外層的“營養物質”。

這樣的“臍帶”普遍存在嗎？為什麼以前沒有觀測到？這一新發現，對理解恆星的形成過程有何意義？

由引力拖拽形成的帶狀結構

恆星形成於星系中的分子云，這些分子云主要由氫分子組成。分子云內部最緻密的部分被稱為分子云核。“分子云核在自身引力作用下會坍縮形成原恆星。雲核在自身的角動量和磁場作用下，會漸漸扁平化，並在雲核內部形成環繞原恆星的吸積盤。”中國科學院上海天文台副研究員劉鐵博士告訴科技日報記者。

劉鐵表示，“臍帶”實際上是一條連接原恆星吸積盤與分子云核的紐帶。吸積盤的直徑小於300個日地距離，而云核的直徑可達上萬個日地距離。這條紐帶把遠離吸積盤的氣體傳送到吸積盤上，為吸積盤提供了新鮮的養分，幫助“恆星寶寶”長大。

“‘臍帶’的一端直接與吸積盤相連，另一端則延伸到雲核的外延，可能與更大尺度的分子云結構相連。”劉鐵解釋道，“臍帶”的動能來源主要是靠近原恆星附近的超緻密氣體包層的萬有引力。在引力作用下，遠處的氣體會被吸引拖拽，形成“傳送帶”這樣的帶狀結構。

也就是説，“臍帶”運輸的物質為恆星的誕生提供了氣體養分，原恆星得以繼續成長。從某種意義來講，這條紐帶與胎兒相連的臍帶一樣，不斷為“恆星寶寶”輸送新鮮“養分”。

“恆星寶寶”的“臍帶”，是否普遍存在呢？

劉鐵認為，這種類似“臍帶”的結構應該是普遍存在的。

“經典的恆星形成理論均假定恆星形成於一個孤立的雲核，雲核形成恆星的過程與周圍環境毫不相干。但是，近些年這種準靜態的恆星形成模式越來越受到觀測的挑戰。”劉鐵説。

特別是赫歇爾空間天文台對一些鄰近巨分子云的觀測，顯示出分子云都呈現網狀結構，而云核都處在這些網中最緻密的絲狀結構裏。“雲核與雲核之間由絲狀結構相連。”劉鐵告訴科技日報記者，這些絲狀結構就可能會起到傳送帶的效果，為雲核不斷傳輸氣體。

恆星形成是一個動態過程

為何此前沒有觀測到這種結構呢？

劉鐵表示，之前沒有觀測到這些絲狀結構，可能是因為分子探針條件的限制。“之前採用的一些分子探針由於激發條件的限制不適合探測‘臍帶’上的氣體。而此次研究團隊所採用的分子探針丙炔腈是一種長碳鏈分子，其化學特性很適合研究這些密度比較低而且沒有經歷複雜化學過程的氣體結構。”他補充道。

中國科學院國家天文台星際介質及恆星形成團組研究員吳京文在接受科技日報記者採訪時表示，此次研究人員能觀測到“臍帶”結構，也離不開望遠鏡的功勞。他們使用的是北方擴展毫米波陣列（NOEMA）。“NOEMA的靈敏度和分辨率僅次於阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡（ALMA），能夠觀測特定的分子譜線。”

另外，觀測的時機也很重要。“也許恆星誕生早期都存在這樣的‘臍帶’，但不一定正好在這一時期被觀測到，而且這樣的‘臍帶’存在的時標也不確定有多長。”吳京文説。

劉鐵認為，此次研究的意義在於，首次發現了原恆星吸積盤與分子云核直接的連接，證明吸積盤可以通過這些關似於傳送帶的結構不斷從分子云核本身甚至是更大尺度的分子云結構中汲取物質，源源不斷地為原恆星的成長補充新鮮養分。

“這次發現也證明了恆星形成是一個動態的過程，是與周圍環境不斷相互作用的一個過程。”劉鐵表示，這些發現對研究吸積盤自身的引力不穩定性以及不對稱性等都具有重要的意義。

吳京文表示，在今後的恆星形成理論研究中，也需要考慮“臍帶”這一機制的存在。“原恆星通過‘臍帶’可以大規模地把物質直接從分子云核外圍吸積過來。在這一過程中，外圍物質並沒有與小尺度環境中的物質混合、演化，仍保留了原來的化學特徵。這一發現體現了大尺度雲核環境對小尺度行星盤和原恆星形成環境的影響。”

當然，這些都需要結合進一步觀測來證實。

更多恆星誕生之謎等待揭曉

恆星是可以通過核聚變發光發熱的等離子體星球，是構成可見宇宙的“原子”。關於恆星的誕生，還有許多亟待解答的問題。

比如，什麼樣的分子云核有能力形成恆星？劉鐵表示，並非所有的分子云核都有能力形成恆星。尋找能夠形成恆星的分子云核一直是恆星形成領域研究的重要課題。

自2015年起，由劉鐵領銜、來自十餘個國家的160餘名專家學者組成的國際團隊“SCOPE”利用麥克斯韋望遠鏡（JCMT）對13188個冷塵埃團塊（普朗克冷團塊）進行了迄今為止最大規模的高分辨率普查。該大型觀測項目“SCOPE”獲得了1000餘個普朗克冷團塊在850微米波長處的連續譜圖像，並從中探測到3500多個緻密的冷分子云核。“這些冷分子云核是真正孕育恆星胚胎的場所。”劉鐵説道。

宇宙中第一代恆星是何時誕生的？現在又在哪？受限於觀測設備，到目前為止，我們仍然沒有發現任何一顆來自於宇宙早期的第一代恆星。科學家推測，第一代恆星的金屬丰度極低，雖然已經找到了許多“貧鐵”的恆星，但仍沒有一顆恆星的鐵元素丰度符合理論預測。找到第一代恆星，或許就能幫助我們揭示宇宙早期，甚至是宇宙誕生的種種謎團。

恆星的謎團數不勝數。誕生恆星的雲核是何時以及如何開始坍縮的？原恆星周圍的吸積盤是何時以及如何形成的？與生命有關的一些大的有機分子是如何在恆星形成過程中產生的？

天文學家表示，恆星的形成是天體物理學領域中最為基礎的問題，是解答其他許多問題的前提。