近日，中國科學(xué)院上海天文臺副研究員呂行與云南大學(xué)、美國哈佛-史密森天體物理中心、德國馬克斯普朗克研究所科研人員合作，利用阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡（ALMA）的高分辨率觀測數(shù)據(jù)，在銀河系中心方向發(fā)現(xiàn)了一個被周圍天體近距離掠過、從而產(chǎn)生旋臂結(jié)構(gòu)的大質(zhì)量新生恒星吸積盤。該發(fā)現(xiàn)證明了大質(zhì)量恒星與小質(zhì)量恒星的形成過程相類似，二者都會經(jīng)歷吸積盤和飛掠等過程。該成果于5月30日發(fā)表在《自然-天文》上。
在恒星形成過程中，環(huán)繞著新生恒星的周圍會產(chǎn)生吸積盤，也稱“原恒星盤”，是恒星形成過程中的關(guān)鍵一環(huán)。新生恒星通過吸積盤持續(xù)從環(huán)境中聚集氣體，逐漸長大。因此，吸積盤是恒星誕生和成長的搖籃。對于類似太陽的小質(zhì)量恒星吸積盤的研究已有數(shù)十年歷史，觀測和理論結(jié)果都較豐富，然而對于更大質(zhì)量的恒星，尤其是30倍太陽質(zhì)量以上的早型O型星，尚不清楚其形成過程中是否也存在吸積盤。更大質(zhì)量的早期恒星遠(yuǎn)比太陽明亮，光度可達太陽的數(shù)十萬倍，可劇烈影響整個星系環(huán)境。因此，理解大質(zhì)量恒星的形成過程具有重要意義。
銀河系的中心距離地球約2.6萬光年，是獨特而重要的恒星形成區(qū)域。銀河系存在超大質(zhì)量黑洞Sgr A*，也有數(shù)千萬太陽質(zhì)量的恒星形成原材料——稠密的氫分子氣體。氫分子氣體一旦在自引力作用下坍縮，將開始形成恒星。銀河系中心有特殊的環(huán)境，如強湍流、強磁場和Sgr A*的潮汐作用等，這些因素會劇烈影響恒星形成活動。因此，銀河系中心區(qū)域的恒星形成過程可能與太陽系周邊的造星過程不同。然而，由于銀河系中心區(qū)域距離地球太遠(yuǎn)，且銀河系中心和太陽系之間有復(fù)雜的前景氣體遮擋，因此對銀河系中心恒星形成區(qū)域的直接觀測十分困難，而只有極高的分辨率和靈敏度的望遠(yuǎn)鏡才能觀測并研究恒星形成的細(xì)節(jié)。
呂行牽頭的科研團隊利用位于南美洲智利的ALMA干涉陣對銀河系中心區(qū)域開展了長基線觀測，分辨率約40毫角秒。借助這一高分辨率、高靈敏度觀測，研究人員在銀河系中心附近區(qū)域發(fā)現(xiàn)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(zhì)量的早型O型星轉(zhuǎn)動。這是目前發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量最大的有吸積盤的原恒星之一，也是首次對銀河系中心原恒星盤的直接成像。該發(fā)現(xiàn)表明，大質(zhì)量早型O型星的形成過程中確有吸積盤參與，且該結(jié)論在銀河系中心的特殊環(huán)境下依然成立。
該吸積盤有一對明顯的旋臂結(jié)構(gòu)。這種旋臂結(jié)構(gòu)在星系盤中常見，但在原恒星盤中較為罕見。一般認(rèn)為，這種旋臂結(jié)構(gòu)是吸積盤自身引力不穩(wěn)定從而碎裂導(dǎo)致的，但該研究發(fā)現(xiàn)，該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(wěn)定性。因此，研究人員認(rèn)為旋臂是受到外部擾動產(chǎn)生的。在吸積盤周圍幾千天文單位處，研究人員發(fā)現(xiàn)了一3倍太陽質(zhì)量的天體，可能是外部擾動的來源。為了驗證該猜想，研究人員利用解析計算，檢查了該天體幾十種可能的歷史軌跡，發(fā)現(xiàn)只有在一種軌跡下它才可以擾動吸積盤。隨后，在上海天文臺的高性能超級計算機平臺上，研究人員利用數(shù)值模擬追蹤了這一軌跡，重現(xiàn)了該天體在一萬多年前掠過吸積盤，并在吸積盤中攪出旋臂結(jié)構(gòu)的完整過程（圖1）。最終，解析計算和數(shù)值模擬結(jié)果均與觀測結(jié)果完全對應(yīng)，說明該吸積盤中的旋臂可能是周圍天體造訪過程留下的遺跡。
研究表明，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類動力學(xué)過程的影響，從而顯著影響恒星和行星的形成。因此，研究吸積盤演化不能將其作為孤立系統(tǒng)看待，應(yīng)考慮動力學(xué)作用。對于更大質(zhì)量的恒星，尤其在銀河系中心這樣高恒星密度的環(huán)境中，此類飛掠作用可能十分頻繁。
圖1.從左下開始的三幅圖來自數(shù)值模擬，分別是飛掠剛發(fā)生、發(fā)生后4000年、發(fā)生后8000年的狀態(tài)。右上帶有旋臂的吸積盤以及旁邊的兩個天體來自實際的ALMA觀測，對應(yīng)飛掠發(fā)生后12000年的狀態(tài)
圖2.數(shù)值模擬中，外部天體（紅點）飛過吸積盤，攪動出旋臂的過程。顏色的明暗代表吸積盤上的氣體面密度
來源：中國科學(xué)院上海天文臺
