看不見的大質(zhì)量恒星幼兒，是怎么形成的？

出品：科普中國(guó)

作者: 馬應(yīng)秀 蔣晨峰（中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

經(jīng)常聽見有人會(huì)說，宇宙真浪漫啊，天文學(xué)家真浪漫啊。其實(shí)，每一次對(duì)星空的凝望，也是在尋找自己的起源，我們的故事就是宇宙的故事。今天，就來聊一聊關(guān)于恒星的那些事兒。

恒星不恒——恒星也有生命周期

仰望星空，那一閃一閃眨著眼睛的星星都是恒星。之所以將其起名為恒星，是因?yàn)槿藗兛吹降乃孟袷呛愣ú蛔兊?，這些星星好像不會(huì)消失，也不會(huì)變大變小或變亮變暗。而事實(shí)上，恒星也有自己的生命周期，包括胚胎期、幼兒期、青年期、壯年期和老年期，當(dāng)然，最后也擺脫不了死亡。

既然恒星存在著生命周期，為什么我們眼睛看不到恒星的這些變化呢？這是因?yàn)橐话愫阈堑膲勖诎偃f(wàn)年到百億年。和人的壽命（百年）相比，我們看到的僅僅是恒星一生中的一瞬間而已。

圖1 星空

（圖片來源：Veer圖庫(kù)）

備受關(guān)注的“出生”——恒星是如何形成的？

深邃的夜空總是自帶神秘，除了肉眼可見的星星以外，是否還隱藏著其他我們看不見的東西呢？答案是肯定的，很多漂亮的星云，處于胚胎期、幼兒期的恒星，是無(wú)法通過人眼看見的。因?yàn)樵缙诤阈前l(fā)出的光比較弱，而且被包裹在厚厚的分子云里，我們眼睛沒法直接看見它們。

然而，天文學(xué)家們卻對(duì)這些肉眼看不見的早期恒星倍感興趣，因?yàn)樗粌H關(guān)系到恒星是如何誕生的，還關(guān)系到行星以及生命的形成。

通過紅外望遠(yuǎn)鏡，可以看到包裹在分子云中的早期恒星，如圖2所示為斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡在紅外波段拍攝的分子云，很多發(fā)光的藍(lán)白色小點(diǎn)都是已經(jīng)誕生的恒星?？梢源_定的是，恒星誕生于分子云中。但分子云是如何“孕育”出早期恒星這一問題，到目前為止還沒有統(tǒng)一的答案。

這是因?yàn)樵诤阈堑囊簧校缙谛纬善诤芏?，尤其是?duì)于大質(zhì)量恒星而言，這一階段的演化非?？?。此外，大質(zhì)量恒星是在大的分子云稠密核中形成的，因此其周圍的分子包層比較厚，即便是使用紅外望遠(yuǎn)鏡，也很難觀測(cè)到。

由于種種原因的存在，我們對(duì)大質(zhì)量恒星的早期形成過程還不夠了解，因此，關(guān)于大質(zhì)量恒星形成理論的研究一直都是科學(xué)家們所關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

圖2 斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡在紅外波段拍攝的分子云

（圖片來源：NASA）

兩種不同的理論模型

關(guān)于大質(zhì)量恒星的形成，目前比較流行的理論主要有兩種，分別是競(jìng)爭(zhēng)吸積理論和單核坍縮理論。

競(jìng)爭(zhēng)吸積理論強(qiáng)調(diào)恒星的成團(tuán)性，好比同一時(shí)期誕生的一群孩子搶著吃東西，誰(shuí)吃得多就長(zhǎng)得快、長(zhǎng)得大。但競(jìng)爭(zhēng)吸積理論的不足在于無(wú)法很好的解釋孤立的大質(zhì)量恒星的形成，而單個(gè)、獨(dú)立的大質(zhì)量恒星在星系中卻很常見。

單核坍縮模型則強(qiáng)調(diào)恒星的獨(dú)立性，即恒星彼此之間相對(duì)獨(dú)立。但該理論基于一個(gè)前提——大質(zhì)量恒星有一個(gè)質(zhì)量大、密度大的分子云團(tuán)塊（核）前身，而這個(gè)致密分子云團(tuán)塊（核）是如何產(chǎn)生的卻不清楚。然而，快速外部壓縮提供了一種快速形成大質(zhì)量、高密度分子團(tuán)塊（核）的機(jī)制。

“云云碰撞”——典型的快速外部壓縮機(jī)制

星系中廣泛分布著由大量分子氣體組成的分子云。天文學(xué)家在上世紀(jì)七十年代提出分子云之間的碰撞可以快速形成大質(zhì)量致密團(tuán)塊，進(jìn)而形成恒星，這就是 “云云碰撞”理論。通過模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)不同速度的分子云相撞后會(huì)快速形成一個(gè)質(zhì)量大、密度高的致密壓縮層（圖3），這個(gè)壓縮層中因重力不穩(wěn)定更容易形成大質(zhì)量團(tuán)塊（核）。

圖3 天文學(xué)家模擬的兩分子云碰撞后不同階段呈現(xiàn)的形態(tài)

圖片來源：Takahira et al. (2014)

G323.18+0.15——一個(gè)完美的“云云碰撞”例子

雖然云云碰撞理論很早就提出來了，但相關(guān)的觀測(cè)研究卻非常少。幸運(yùn)的是，我們利用紅外連續(xù)譜數(shù)據(jù)和12CO、13CO分子譜線數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)“云云碰撞”候選體G323.18+0.15。G323.18+0.15位于銀道面上，距離我們大約11508光年。

我們發(fā)現(xiàn)，“云云碰撞”可以形成質(zhì)量大、密度高的分子云團(tuán)塊（核），進(jìn)而分子云團(tuán)塊/核中會(huì)形成大質(zhì)量恒星。經(jīng)過推算，G323.18+0.15中的“云云碰撞”可能發(fā)生在1.59兆年以前。雖然我們沒能親眼目睹碰撞的過程，但可以找尋碰撞留下的痕跡。

痕跡一：被“撞彎”的形態(tài)，也叫U型或拱形結(jié)構(gòu)，如（圖4）白色等高線所示，中間有被“撞彎”的缺口。

痕跡二：碰撞后的兩分子云。它們速度不同，卻像鑰匙和鑰匙孔很好的“鑲嵌”在一起，如（圖4）藍(lán)色等高線和白色等高線。當(dāng)然，幾兆年后碰撞的兩分子云也有可能會(huì)再次分開。

圖4 分子云復(fù)合體G323.18+0.15，三種不同顏色的輪廓線代表三個(gè)子分子云，背景為24微米、8微米、4.5微米的RGB三色圖

（圖片來源：新疆天文臺(tái)提供）

痕跡三：碰撞相互作用區(qū)域質(zhì)量大、密度高，并且已經(jīng)形成了致密的大質(zhì)量分子云團(tuán)塊（核），它們滿足大質(zhì)量恒星形成的條件（圖5）。

圖5 分子云復(fù)核體G323.18+0.15的柱密度分布圖

（圖片來源：新疆天文臺(tái)提供）

痕跡四：由12CO、13CO分子譜線數(shù)據(jù)提供的分子氣體動(dòng)力學(xué)信息，我們發(fā)現(xiàn)碰撞區(qū)域兩個(gè)分子云的氣體混合在一起，符合碰撞特征（圖6）。

圖6 碰撞分子云的形態(tài)和譜線特征

（圖片來源：新疆天文臺(tái)提供）

痕跡五：分子云G323.18+0.15中有恒星形成。通過對(duì)分子云引力平衡狀態(tài)的分析，G323.18+0.15的質(zhì)量還不足以形成恒星，但觀測(cè)上卻已經(jīng)看到了年輕恒星，這說明正是曾經(jīng)的意外碰撞導(dǎo)致了恒星的形成。

結(jié)語(yǔ)

目前，通過觀測(cè)找到的“云云碰撞”樣本只有50多個(gè)。從已有的研究結(jié)果來看，“云云碰撞”可以觸發(fā)大質(zhì)量恒星的形成，也可以解釋星系中為什么會(huì)存在的單個(gè)、獨(dú)立的大質(zhì)量恒星。但宇宙中“云云碰撞”的概率有多大，碰撞發(fā)生的過程以及觸發(fā)大質(zhì)量恒星形成的效率等問題還需要深入研究。

相信在未來，我們能夠找到更多的“云云碰撞”樣本，通過不同波段、不同分辨率的觀測(cè)研究，清楚地揭示“云云碰撞”的過程。

圖7 分子云復(fù)合體G323.18+0.15中發(fā)生云云碰撞的簡(jiǎn)化示意圖

（圖片來源：新疆天文臺(tái)提供）

編輯：應(yīng)奕可

【注：此項(xiàng)研究成果已正式發(fā)表于國(guó)際天文核心期刊《天文學(xué)與天體物理學(xué)》（2022，A&A，663，A97）。】