一場(chǎng)萬(wàn)年前的邂逅，攪起吸積盤(pán)中的漩渦！

在恒星形成過(guò)程中，環(huán)繞著新生恒星的周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生吸積盤(pán)。這個(gè)吸積盤(pán)，也被稱(chēng)為“原恒星盤(pán)”，是恒星形成過(guò)程中的關(guān)鍵一環(huán)。新生恒星通過(guò)吸積盤(pán)持續(xù)地從環(huán)境中聚集氣體，逐漸長(zhǎng)大。因此，吸積盤(pán)可以說(shuō)是恒星誕生和成長(zhǎng)的搖籃。天文學(xué)家對(duì)于類(lèi)似太陽(yáng)的小質(zhì)量恒星吸積盤(pán)的研究已有數(shù)十年歷史，觀測(cè)和理論結(jié)果都較為豐富，然而對(duì)于更大質(zhì)量的恒星，尤其是30倍太陽(yáng)質(zhì)量以上的早型O型星，目前尚不清楚其形成過(guò)程中是否也存在吸積盤(pán)。這些更大質(zhì)量的早期恒星遠(yuǎn)比太陽(yáng)明亮，光度可達(dá)太陽(yáng)的數(shù)十萬(wàn)倍，可劇烈影響整個(gè)星系的環(huán)境。因此，理解這些大質(zhì)量恒星的形成過(guò)程具有重要意義。

近日，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)呂行副研究員與云南大學(xué)、美國(guó)哈佛-史密森天體物理中心、德國(guó)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(yuǎn)鏡（ALMA）的高分辨率觀測(cè)數(shù)據(jù)，在銀河系中心方向發(fā)現(xiàn)了一個(gè)被周?chē)祗w近距離掠過(guò)、從而產(chǎn)生旋臂結(jié)構(gòu)的大質(zhì)量新生恒星吸積盤(pán)。這一新發(fā)現(xiàn)證明了大質(zhì)量恒星與小質(zhì)量恒星的形成過(guò)程相類(lèi)似，二者都會(huì)經(jīng)歷吸積盤(pán)和飛掠等過(guò)程。該成果于5月30日發(fā)表在《自然·天文》。

銀河系中心附近的超級(jí)吸積盤(pán)

銀河系的中心距離我們約2.6萬(wàn)光年，是一個(gè)獨(dú)特而重要的恒星形成區(qū)域。這里有超大質(zhì)量黑洞Sgr A*，也有數(shù)千萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星形成原材料——稠密的氫分子氣體。這些氣體一旦在自引力作用下坍縮，將開(kāi)始形成恒星。不過(guò)，銀河系中心有極特殊的環(huán)境，如強(qiáng)湍流、強(qiáng)磁場(chǎng)和Sgr A*的潮汐作用等，而這些因素會(huì)劇烈地影響恒星形成活動(dòng)。因此，銀河系中心區(qū)域的恒星形成過(guò)程可能與我們所熟悉的太陽(yáng)系周邊的造星過(guò)程有所不同。

然而，因?yàn)殂y河系中心區(qū)域距離地球太遠(yuǎn)，而且銀河系中心和太陽(yáng)系之間有復(fù)雜的前景氣體遮擋。這些影響因素都讓天文學(xué)家對(duì)銀河系中心恒星形成區(qū)域的直接觀測(cè)非常困難。因此，天文學(xué)家必須選擇有極高的分辨率和靈敏度的望遠(yuǎn)鏡才能觀測(cè)并研究恒星形成的細(xì)節(jié)。

呂行牽頭的科研團(tuán)隊(duì)利用位于南美洲智利的ALMA干涉陣對(duì)銀河系中心區(qū)域開(kāi)展了長(zhǎng)基線觀測(cè)，分辨率達(dá)到了約40毫角秒。在這樣的分辨率下的觀測(cè)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(cè)，研究人員在銀河系中心附近區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一個(gè)直徑約4000天文單位的吸積盤(pán)正圍繞著一顆32倍太陽(yáng)質(zhì)量的早型O型星轉(zhuǎn)動(dòng)。這是目前發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量最大的有吸積盤(pán)的原恒星之一，更是天文學(xué)家首次對(duì)銀河系中心的原恒星盤(pán)的直接成像。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)表明，大質(zhì)量的早型O型星的形成過(guò)程中確實(shí)有吸積盤(pán)的參與，而且該結(jié)論在銀河系中心這樣的特殊環(huán)境下依然成立。

外部擾動(dòng)影響吸積盤(pán)演化

與眾不同的是，呂行等科學(xué)家們看到的吸積盤(pán)有一對(duì)明顯的旋臂結(jié)構(gòu)。這種旋臂結(jié)構(gòu)在星系盤(pán)中常見(jiàn)，但在原恒星盤(pán)中較為罕見(jiàn)。一般認(rèn)為這種旋臂結(jié)構(gòu)是吸積盤(pán)自身引力不穩(wěn)定，從而碎裂導(dǎo)致的。而此次研究發(fā)現(xiàn)，這個(gè)大質(zhì)量早型O型星的吸積盤(pán)中氣體溫度較高、湍流較強(qiáng)，足以維持吸積盤(pán)自身的穩(wěn)定性。因此，研究人員認(rèn)為存在另一個(gè)可能的解釋?zhuān)葱凼鞘艿酵獠繑_動(dòng)產(chǎn)生的。在這個(gè)吸積盤(pán)周?chē)鷰浊煳膯挝贿h(yuǎn)的地方，恰好有一個(gè)3倍太陽(yáng)質(zhì)量的天體，可能就是外部擾動(dòng)的來(lái)源。

為了驗(yàn)證這一猜想，研究人員首先利用解析計(jì)算，檢查了這個(gè)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(dòng)吸積盤(pán)。隨后，研究人員在上海天文臺(tái)的高性能超級(jí)計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，利用數(shù)值模擬追蹤了這一軌跡，重現(xiàn)了這個(gè)天體在一萬(wàn)多年前掠過(guò)吸積盤(pán)、并在吸積盤(pán)中攪出旋臂結(jié)構(gòu)的完整過(guò)程。值得一提的是，這類(lèi)數(shù)值模擬耗時(shí)很久，需要一周左右才能運(yùn)行完成。因?yàn)檠芯咳藛T提前利用解析計(jì)算找到了唯一合適的軌跡，所以不需要反復(fù)嘗試不同的物理?xiàng)l件，而是一次運(yùn)行就正中靶心，節(jié)省了很多時(shí)間。最終，解析計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果均與觀測(cè)結(jié)果完全對(duì)應(yīng)，因此，這個(gè)吸積盤(pán)中的旋臂很可能是周?chē)祗w造訪過(guò)程留下的遺跡。

這一發(fā)現(xiàn)充分說(shuō)明，在恒星形成的早期階段，吸積盤(pán)演化會(huì)頻繁受到飛掠作用這樣的動(dòng)力學(xué)過(guò)程的影響，從而顯著地影響恒星和行星的形成。所以，在研究吸積盤(pán)演化時(shí)，不能將它們作為孤立系統(tǒng)看待，而應(yīng)當(dāng)認(rèn)真考慮這些動(dòng)力學(xué)作用。

有趣的是，有證據(jù)顯示，大約7萬(wàn)年前，一對(duì)名為“舒爾茨星”的雙星系統(tǒng)就曾近距離飛掠過(guò)太陽(yáng)系，它可能擾動(dòng)了奧爾特云，將一批彗星送入了內(nèi)太陽(yáng)系。此次的研究結(jié)果表明，對(duì)于更大質(zhì)量的恒星，尤其在銀河系中心這樣的高恒星密度的環(huán)境中，這種飛掠作用應(yīng)該極其頻繁。

“這顆大質(zhì)量恒星的形成過(guò)程和太陽(yáng)這樣的小質(zhì)量恒星有些類(lèi)似，都有吸積盤(pán)和飛掠作用的參與。盡管質(zhì)量有大小之分，但是恒星形成過(guò)程中的一些物理機(jī)制是統(tǒng)一的。這為解開(kāi)大質(zhì)量恒星形成之謎提供了重要線索?！眳涡斜硎?，“我們已經(jīng)提交了新的ALMA觀測(cè)申請(qǐng)，希望把分辨率再提高3倍，推到望遠(yuǎn)鏡的極限，以期看清這個(gè)吸積盤(pán)里隱藏的細(xì)節(jié)?！?/p>