在一片星云中，一團(tuán)物質(zhì)流沿著龍卷風(fēng)一樣的螺旋軌跡，逐漸向中心聚攏下落，最終融入星云中心一個(gè)扁平的氣體圓盤上。在圓盤中心，孕育著一顆尚未誕生的“恒星寶寶”。為了長(zhǎng)大，這顆“恒星寶寶”不斷從圓盤中“進(jìn)食”以獲取各種各樣的物質(zhì)。

現(xiàn)在，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)“恒星寶寶”的“食物”不僅來(lái)源于圓盤的中心區(qū)域，也能直接來(lái)源于包裹恒星的云團(tuán)最外層。近日，在對(duì)英仙座分子云的觀測(cè)中，來(lái)自德國(guó)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(xué)家首次發(fā)現(xiàn)一條明亮的物質(zhì)流，它把云核的最外層與圓盤的中心區(qū)域連接起來(lái)，就像一條“傳送帶”或嬰兒的“臍帶”。年輕的原恒星及其原行星盤能夠通過(guò)這條“臍帶”直接獲取云核最外層的“營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)”。

這樣的“臍帶”普遍存在嗎?為什么以前沒(méi)有觀測(cè)到?這一新發(fā)現(xiàn)，對(duì)理解恒星的形成過(guò)程有何意義?

由引力拖拽形成的帶狀結(jié)構(gòu)

恒星形成于星系中的分子云，這些分子云主要由氫分子組成。分子云內(nèi)部最致密的部分被稱為分子云核。“分子云核在自身引力作用下會(huì)坍縮形成原恒星。云核在自身的角動(dòng)量和磁場(chǎng)作用下，會(huì)漸漸扁平化，并在云核內(nèi)部形成環(huán)繞原恒星的吸積盤。”中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)副研究員劉鐵博士告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

劉鐵表示，“臍帶”實(shí)際上是一條連接原恒星吸積盤與分子云核的紐帶。吸積盤的直徑小于300個(gè)日地距離，而云核的直徑可達(dá)上萬(wàn)個(gè)日地距離。這條紐帶把遠(yuǎn)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(yǎng)分，幫助“恒星寶寶”長(zhǎng)大。

“‘臍帶’的一端直接與吸積盤相連，另一端則延伸到云核的外延，可能與更大尺度的分子云結(jié)構(gòu)相連。”劉鐵解釋道，“臍帶”的動(dòng)能來(lái)源主要是靠近原恒星附近的超致密氣體包層的萬(wàn)有引力。在引力作用下，遠(yuǎn)處的氣體會(huì)被吸引拖拽，形成“傳送帶”這樣的帶狀結(jié)構(gòu)。

也就是說(shuō)，“臍帶”運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)為恒星的誕生提供了氣體養(yǎng)分，原恒星得以繼續(xù)成長(zhǎng)。從某種意義來(lái)講，這條紐帶與胎兒相連的臍帶一樣，不斷為“恒星寶寶”輸送新鮮“養(yǎng)分”。

“恒星寶寶”的“臍帶”，是否普遍存在呢?

劉鐵認(rèn)為，這種類似“臍帶”的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是普遍存在的。

“經(jīng)典的恒星形成理論均假定恒星形成于一個(gè)孤立的云核，云核形成恒星的過(guò)程與周圍環(huán)境毫不相干。但是，近些年這種準(zhǔn)靜態(tài)的恒星形成模式越來(lái)越受到觀測(cè)的挑戰(zhàn)。”劉鐵說(shuō)。

特別是赫歇爾空間天文臺(tái)對(duì)一些鄰近巨分子云的觀測(cè)，顯示出分子云都呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而云核都處在這些網(wǎng)中最致密的絲狀結(jié)構(gòu)里。“云核與云核之間由絲狀結(jié)構(gòu)相連。”劉鐵告訴科技日?qǐng)?bào)記者，這些絲狀結(jié)構(gòu)就可能會(huì)起到傳送帶的效果，為云核不斷傳輸氣體。

恒星形成是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程

為何此前沒(méi)有觀測(cè)到這種結(jié)構(gòu)呢?

劉鐵表示，之前沒(méi)有觀測(cè)到這些絲狀結(jié)構(gòu)，可能是因?yàn)榉肿犹结槜l件的限制。“之前采用的一些分子探針由于激發(fā)條件的限制不適合探測(cè)‘臍帶’上的氣體。而此次研究團(tuán)隊(duì)所采用的分子探針丙炔腈是一種長(zhǎng)碳鏈分子，其化學(xué)特性很適合研究這些密度比較低而且沒(méi)有經(jīng)歷復(fù)雜化學(xué)過(guò)程的氣體結(jié)構(gòu)。”他補(bǔ)充道。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)星際介質(zhì)及恒星形成團(tuán)組研究員吳京文在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，此次研究人員能觀測(cè)到“臍帶”結(jié)構(gòu)，也離不開望遠(yuǎn)鏡的功勞。他們使用的是北方擴(kuò)展毫米波陣列(NOEMA)。“NOEMA的靈敏度和分辨率僅次于阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡(ALMA)，能夠觀測(cè)特定的分子譜線。”

另外，觀測(cè)的時(shí)機(jī)也很重要。“也許恒星誕生早期都存在這樣的‘臍帶’，但不一定正好在這一時(shí)期被觀測(cè)到，而且這樣的‘臍帶’存在的時(shí)標(biāo)也不確定有多長(zhǎng)。”吳京文說(shuō)。

劉鐵認(rèn)為，此次研究的意義在于，首次發(fā)現(xiàn)了原恒星吸積盤與分子云核直接的連接，證明吸積盤可以通過(guò)這些關(guān)似于傳送帶的結(jié)構(gòu)不斷從分子云核本身甚至是更大尺度的分子云結(jié)構(gòu)中汲取物質(zhì)，源源不斷地為原恒星的成長(zhǎng)補(bǔ)充新鮮養(yǎng)分。

“這次發(fā)現(xiàn)也證明了恒星形成是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，是與周圍環(huán)境不斷相互作用的一個(gè)過(guò)程。”劉鐵表示，這些發(fā)現(xiàn)對(duì)研究吸積盤自身的引力不穩(wěn)定性以及不對(duì)稱性等都具有重要的意義。

吳京文表示，在今后的恒星形成理論研究中，也需要考慮“臍帶”這一機(jī)制的存在。“原恒星通過(guò)‘臍帶’可以大規(guī)模地把物質(zhì)直接從分子云核外圍吸積過(guò)來(lái)。在這一過(guò)程中，外圍物質(zhì)并沒(méi)有與小尺度環(huán)境中的物質(zhì)混合、演化，仍保留了原來(lái)的化學(xué)特征。這一發(fā)現(xiàn)體現(xiàn)了大尺度云核環(huán)境對(duì)小尺度行星盤和原恒星形成環(huán)境的影響。”

當(dāng)然，這些都需要結(jié)合進(jìn)一步觀測(cè)來(lái)證實(shí)。

更多恒星誕生之謎等待揭曉

恒星是可以通過(guò)核聚變發(fā)光發(fā)熱的等離子體星球，是構(gòu)成可見(jiàn)宇宙的“原子”。關(guān)于恒星的誕生，還有許多亟待解答的問(wèn)題。

比如，什么樣的分子云核有能力形成恒星?劉鐵表示，并非所有的分子云核都有能力形成恒星。尋找能夠形成恒星的分子云核一直是恒星形成領(lǐng)域研究的重要課題。

自2015年起，由劉鐵領(lǐng)銜、來(lái)自十余個(gè)國(guó)家的160余名專家學(xué)者組成的國(guó)際團(tuán)隊(duì)“SCOPE”利用麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡(JCMT)對(duì)13188個(gè)冷塵埃團(tuán)塊(普朗克冷團(tuán)塊)進(jìn)行了迄今為止最大規(guī)模的高分辨率普查。該大型觀測(cè)項(xiàng)目“SCOPE”獲得了1000余個(gè)普朗克冷團(tuán)塊在850微米波長(zhǎng)處的連續(xù)譜圖像，并從中探測(cè)到3500多個(gè)致密的冷分子云核。“這些冷分子云核是真正孕育恒星胚胎的場(chǎng)所。”劉鐵說(shuō)道。

宇宙中第一代恒星是何時(shí)誕生的?現(xiàn)在又在哪?受限于觀測(cè)設(shè)備，到目前為止，我們?nèi)匀粵](méi)有發(fā)現(xiàn)任何一顆來(lái)自于宇宙早期的第一代恒星?？茖W(xué)家推測(cè)，第一代恒星的金屬豐度極低，雖然已經(jīng)找到了許多“貧鐵”的恒星，但仍沒(méi)有一顆恒星的鐵元素豐度符合理論預(yù)測(cè)。找到第一代恒星，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(tuán)。

恒星的謎團(tuán)數(shù)不勝數(shù)。誕生恒星的云核是何時(shí)以及如何開始坍縮的?原恒星周圍的吸積盤是何時(shí)以及如何形成的?與生命有關(guān)的一些大的有機(jī)分子是如何在恒星形成過(guò)程中產(chǎn)生的?

天文學(xué)家表示，恒星的形成是天體物理學(xué)領(lǐng)域中最為基礎(chǔ)的問(wèn)題，是解答其他許多問(wèn)題的前提。(實(shí)習(xí)記者 代小佩)

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