新知 | 使生如夏花之绚烂——走进恒星形成反馈

我要新鲜事2023-05-14 03:17:000阅

前言

四百年前，伽利略制造出第一台望远镜，开启了人类科学观测宇宙的序幕。第二次世界大战后微波和雷达技术被广泛应用于基础科学的研究，推动了射电天文学的发展。人们发现微波频谱能够揭示星际“暗云”内部的信息。星际“暗云”在人类肉眼可见的电磁波段不发光，主要由分子气体和尘埃组成，故称为分子云。银河系中千亿颗恒星就诞生于此。

图1. 由詹姆斯-韦伯太空望远镜拍摄的一颗深埋于“暗云”L1527中的原恒星。原恒星位于这种沙漏型结构的颈部，原行星盘是中心的一条暗线。原恒星在形成的过程中会吸积两侧的物质，并产生垂直于盘的物质喷射，形成沙漏状的结构。上方中间位置的气泡可能是由于原恒星间歇性的物质喷射与星际介质作用而形成的。（图源：NASA，ESA, CSA和STScI）

一、恒星形成对分子云的反馈

恒星是宇宙的基本单元。恒星形成是天体物理的基本问题之一，它与整个天文学有密切的联系，如宇宙学、星系、星际介质等。研究发现，恒星在形成的过程中，会经历一个剧烈的质量抛射的过程。年轻恒星天体（Young Stellar Objects，YSOs）的强的星风吹出，会裹挟深埋的气体，向周围星际介质注入能量和角动量，影响星际介质的结构和演化。

恒星形成反馈是恒星形成过程中与周围环境相互作用而产生的，可以被观测到的动力学现象，往往还伴随着猛烈的激波。恒星形成反馈在不同的电磁波段，有不同的观测特征，被人们赋予不同的名字，包括外向流（outflow），分子气泡（molecular bubble），光学喷流（jet），高速的中性氢在21厘米的发射线，极速向外移动的赫比格-哈罗天体（Herbig-Haro object），致密的红外复合线源，星际脉泽，激波激发的氢分子的发射线等[1]。

图2. 在麒麟座玫瑰星云中的分子氢发射线天体（Molecular hydrogen emission-line objects）AFGL 961，图像是由氢分子的发射线和连续谱叠加而成的。（图源：Davis等[2]）

图3. 一个猎户座A中2.7 pc长的赫比格-哈罗天体(HH 34)的复合体。图像由窄带Hα(青色)和SII(红色)图像合成，白色代表两个波段都有很强的发射。红色和蓝色标签分别表示红移和蓝移的成分。巨大的HH 401(右上)和HH 222(中下)的弓形激波来自东南方向的源(右下)。（图源：Bally等[3]）

在射电波段，外向流和分子气泡是非常重要的两种恒星形成反馈活动。外向流被认为是恒星形成的最早可观测特征。准直性最高的分子外向流产生于最年轻的原恒星。随着恒星逐步形成，星风的准直度下降，外向流的张角也会逐步变大[4]。而分子气泡产生于相对晚期的原恒星所吹出的球形的恒星风，在宇宙空间中表现为完整或破缺的环形。

图4. 由一氧化碳（12CO J=1-0）所示踪的一些外向流样本。其中红色和蓝色等高线分别代表红移和蓝移的外向流瓣。驱动这些外向流的YSO处于不同的演化阶段，外向流的形态也不相同。（图源：Arce等[4]）

图5. 外向流与星周包层相互作用的演化示意图。深灰色代表高密度的星周包层。浅灰色代表12CO和13CO所示踪的外向流。箭头表示气体的运动方向。正在形成的恒星随着时间的演化，其外向流的准直度会下降。（图源：Arce等[4]）

恒星形成反馈具有重要的研究价值。在恒星尺度上，它会清扫周围的气体，这关系到恒星坍缩阶段的结束，直接影响恒星形成效率[5]。在星周包层的尺度上，恒星形成反馈会对周围气体和尘埃的动力学及空间结构产生重大影响[6]。在分子云尺度上，恒星形成反馈向分子云注入能量，会被用于抗衡分子云中湍流的耗散，这关系到整个分子云的能量平衡[7]。

二、外向流的研究历史

分子外向流最早是由Zuckerman，Kuiper和Rodriguez-kuiper（1976年）以及Kwan和Scoville（1976年）在猎户座分子云核中发现的[8,9]。在射电波段，一氧化碳的转动跃迁谱线的速度范围超过150 km s-1，大大超过了这类分子云通常5 km s-1的谱线半高全宽。同时，氢分子激波激发的红外谱线也被探测到，速度超过50 km s-1。毫米波和红外谱线的探测共同支持了高速分子气体运动的存在[1]。

此后，分子外向流的发现与证认工作进展迅速。1985年，Lada等人在银河系内探测到67个高速外向流，1989年Fukui等人发现了144个外向流，1996年吴月芳等人探测到264个高速外向流[10,11,12]。在二十一世纪，随着毫米波和亚毫米波观测技术的进步，人们对恒星形成反馈已经有了系统性地研究。高灵敏度单天线望远镜的建设和多波束技术的发展，使人们获得了更广阔范围的外向流成像，并能够对分子云中的外向流展开系统性搜寻。而高分辨率的干涉仪成像也使我们对外向流更小尺度的结构取得重要突破。

三、分子气泡的探测困难

分子气泡对云的影响大于外向流。以金牛座分子云为例，对动力学时标的估计表明，分子气泡会比外向流存在更久的时间。因此，分子气泡对分子云的能量注入可以持续更长的时间。巡天结果表明，金牛座中的分子气泡总质量约为外向流量的110倍，向分子云注入的总能量约为外向流的24倍[13]。

分子气泡的探测比外向流更加困难。外向流最主要的观测特征是高速而强的一氧化碳发射线。分子气泡的观测特征是在空间和速度的维度捕捉环状和弧状结构。外向流的一氧化碳转动跃迁谱线信号可以被低分辨率的射电望远镜探测到，也可以使用高分辨率的望远镜进行成像观测。因此，在五十年间，外向流有丰富的研究历史。而分子气泡的谱线信号相对暗弱，只能通过高分辨率的望远镜成像才可以被证认。人们开展大规模的分子气泡巡天研究也只有十年的历史。总而言之，由于气泡的复杂形态，又受限于望远镜的分辨率、灵敏度和天空覆盖范围，它们比外向流更难被识别[14]。因此，对分子气泡的研究既重要又具有挑战性。

图6. 金牛座分子云中分子气泡和外向流的概念图，以及真实测量到的外向流的系统速度（图源：任致远）

迄今为止，在银河系内，人们只对三个分子云开展过分子气泡的系统性搜寻工作，它们都是著名的中低质量恒星形成区。2011年，Arce等人在英仙座分子云复合体开展了系统性地分子气泡证认，共搜寻到12个分子气泡[14]。2015年，李会贤等人在金牛座分子云中证认了37个分子气泡[13]。2018年，Feddersen等人在猎户座A（Orion A）中证认了 42 个分子气泡[15]。

图7. 猎户座（左）、英仙座（右上）和金牛座（右下）中分子气泡的分布图（图源：Feddersen 等[15]，Arce 等[14]，Li 等[13]）

一般来说，在银河系尺度上，超级气泡（superbubble）的尺度能够横跨数百秒差距。在河内的分子云中，秒差距尺度的分子气泡在大质量恒星形成区很常见，它们的产生主要与大质量星相关。大的空间尺度和强的能量与动量注入使二者都能很容易被探测到。而对低质量恒星形成区，传统普遍认为低质量星的质量损失率小，难以产生气泡结构。近年来，观测发现在低质量恒星形成区也有许多气泡结构，它们在数量和空间分布上更为普遍。而这些分子气泡的发射信号相对较弱，空间尺度相对较小，受限于望远镜的分辨率、灵敏度和空间覆盖范围，探测较为困难。因此，对低质量星的恒星形成反馈研究，大有可为。

四、量化低质量恒星形成反馈

国家天文台李菂研究员带领国际团队一直致力于银河系内低质量恒星形成反馈的研究。2015年，李会贤等人发表了金牛座外向流和分子气泡的大样本巡天结果，共探测到55个外向流和37个分子气泡。研究结果表明，恒星形成反馈的能量注入率能够维持分子云中湍流的耗散，为金牛座分子云的能量来源提供了重要的观测证据[13]。

2019年，刘梦婷等人通过对金牛座与英仙座分子云中的气泡进行数值模拟，提出探测率方程，检验已探测到的分子气泡的完备性。她们证明了此前在金牛座与英仙座分子云中找到的所有分子气泡在能量上是完备的[16]。

五、对低质量恒星形成反馈特殊结构的探测

在以上两个工作的基础上，2023年，由国家天文台李菂研究员带领的国际团队发表了金牛座分子云中一个分子气泡与外向流共存的特殊结构[17]。这一分子气泡是由国家天文台研究生段言首次在JCMT望远镜的一氧化碳（12CO J=3-2）数据中发现的。这一特殊结构很快引起了重视，段言与李菂研究员申请到IRAM 30米单天线望远镜对这一结构进行更高分辨率的一氧化碳（CO J=2-1）观测。研究团队还结合了由Paul F. Goldsmith领导的金牛座分子云的巡天数据（CO J=1-0）[18]，与红外、光学波段的档案数据和Gaia卫星的最新测量结果，对分子气泡和外向流进行了全面地分析和讨论。

图8. 这一分子气泡与外向流在金牛座分子云中的位置和多波段的图像。（图源：Duan 等[17]）

喷气推进实验室的Paul F. Goldsmith教授和巴黎天文台的Laurent Pagani教授对恒星形成反馈的物理参量估计和驱动源分析做出了重要贡献。另外，Laurent Pagani教授还证认这个分子气泡在红外波段显示出“coreshine”[19]发射，它标志着缺乏紫外和光学照明的分子云的内部致密区域。对这一特殊结构的发现，为分子气泡和外向流的共同起源提供了重要的观测证据。这一探测证明，即使是低质量的恒星，其动力学结构也能对分子云的空间结构及能量注入产生重要影响。

随着詹姆斯-韦伯太空望远镜的顺利升空与平稳运行，在未来，该团队还将继续致力于以最前沿的观测设备解开种种谜团，去找寻更多样的恒星形成反馈，与它们对星际介质所产生的更深远的影响。

结语

就像它的消亡一样，恒星的诞生也会在茫茫太空中留下壮观的景象，陈列于种种分子云中。在好奇心的驱动下，于五十年间，我们制造最精密的仪器，建立最前沿的理论，得以看到恒星千姿百态的诞生。我们只是宇宙历史中的一瞬，但我们的文明使我们目睹恒星形成的每一种进程，预知每一种未来，理解每一种初生，在时间与空间的维度里还原恒星形成的绚烂与分子云的壮丽。人类在茫茫宇宙中踽踽独行，但人类不孤独，因为众星繁密，霞卷云舒，同垂不朽。

作者 · 简介

段言：国家天文台博士研究生，导师为李菂研究员，致力于恒星形成与分子云的研究。

参考文献：

[1]孙锦, 李守中. 分子天体物理学基础. 北京师范大学出版社, 书号: 7-303-06410-9, 北京, 2003

[2]Davis, C. J.,Gell, R.,Khanzadyan, T. et al., A general catalogue of molecular hydrogen emission-line objects (MHOs) in outflows from young stars, 2010, Astronomy and Astrophysics, 511, 24

[3]Bally, J., Protostellar Outflows, 2016, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 54, 491

[4]Arce, H. G. and Sargent, A. I., The Evolution of Outflow-Envelope Interactions in Low-Mass Protostars, 2006, The Astrophysical Journal, 646, 1070

[5]Matzner, C. D. and McKee, C. F., Efficiencies of Low-Mass Star and Star Cluster Formation, 2000, The Astrophysical Journal, 545, 364

[6]Norman, C. and Silk, J., Clumpy molecular clouds - A dynamic model self-consistently regulated by T Tauri star formation., 1980, Astrophysical Journal, 238, 158

[7]McKee, C. F. and Ostriker, E. C., Theory of Star Formation, 2007, Annual Review of Astronomy & Astrophysics, 45, 565

[8]Zuckerman, B., Kuiper, T. B. H. and Rodriguez Kuiper, E. N., High-velocity gas in the Orion infrared nebula., 1976, Astrophysical Journal, 209, 137

[9]Kwan, J. and Scoville, N., The nature of the broad molecular line emission at the Kleinmann-Low nebula., 1976, Astrophysical Journal, 210, 39

[10]Lada, C. J., Cold outflows, energetic winds, and enigmatic jets around young stellar objects., 1985, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 23, 267

[11]Fukui, Y., Molecular outflows: their implications on protostellar evolution., 1989, European Southern Observatory Conference and Workshop Proceedings, 33, 95

[12]Wu, Y., Huang, M., and He, J., A catalogue of high velocity molecular outflows., 1996, Astronomy and Astrophysics Supplement, 115, 283

[13]Li, H., Li, D., Qian, L. et al., Outflows and Bubbles in Taurus: Star-formation Feedback Sufficient to Maintain Turbulence, 2015, The Astrophysical Journal Supplement Series, 219, 20

[14]Arce, H. G., Borkin, M. A., Goodman, A. A., Pineda, J. E., & Beaumont, C. N., A Bubbling Nearby Molecular Cloud: COMPLETE Shells in Perseus, 2011, The Astrophysical Journal, 742, 105

[15]Feddersen, J. R., Arce, H. G., Kong, S., et al., Expanding CO Shells in the Orion A Molecular Cloud, 2018, The Astrophysical Journal, 862, 121

[16]Liu, M., Li, D., Krco, M., et al., Numerical Simulation and Completeness Survey of Bubbles in the Taurus and Perseus Molecular Clouds, 2019, The Astrophysical Journal, 885, 124

[17]Duan, Y., Li, D., Goldsmith, P. F., et al., Discovery of a New Molecular Bubble–Outflow Structure in the Taurus B18 Cloud, 2023, The Astrophysical Journal, 943, 182

[18]Goldsmith, P. F., Heyer, M., Narayanan, G., et al., Large-Scale Structure of the Molecular Gas in Taurus Revealed by High Linear Dynamic Range Spectral Line Mapping, 2008, The Astrophysical Journal, 680, 428

[19]Pagani, L., Steinacker, J., Bacmann, A., Stutz, A., & Henning, T., The Ubiquity of Micrometer-Sized Dust Grains in the Dense Interstellar Medium, 2010, Science, 329, 1622