近日，中國科學院上海天文臺副研究員呂行與云南大學、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，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鏡才能觀測并研究恒星形成的細節(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：中國科學院上海天文臺
