換種方法數星星——星暴星系中的恆星形成

天文學家利用ALMA觀測發現，相較於一般較為平靜的星系（例如我們的銀河系）來說，在星暴星系中的大質量恆星的形成比例要遠高於前者。這一發現對於目前的星系演化學說發起了挑戰，或許將會改變我們對恆星形成歷史和化學元素積累的現有認知。圖片中展示的是藝術家繪製的富塵埃的星暴星系想像圖。來源：ESO

在晴朗的夜晚，面對綴滿星星的夜空，是不是你我都曾天真爛漫地一顆一顆數過星星？那麼，天文學家們也數星星嗎？數！只不過他們不再僅僅依靠肉眼，而是使用專業的天文望遠鏡。這次他們並不直接觀測恆星的輻射，而是通過觀測星系介質的化學組成探尋這些恆星形成的秘密。他們彷彿考古一般，試圖從星暴星系的「灰燼」里還原大質量恆星和中小質量恆星在形成時的比重，而當時這些「胖子」和「瘦子」的比重也影響著後來的世界組成。

在原初大爆炸之後，整個宇宙隨著時間流逝逐漸冷卻，氣體開始聚集並塌縮形成第一代星系。來自宇宙大尺度結構的原初氣體源源不斷地流入星系，在其中進一步形成密度較高的分子雲。分子雲中更高密度的小區域由引力主導，進一步塌縮，從中開始成團地形成恆星。

星系中同一批形成的大質量恆星和中小質量恆星的比例，被稱為恆星初始質量函數，它是現代天文學中最重要的理論基石。這個比例被廣泛用來估算星系中的恆星質量和恆星形成的速率。這兩者也是研究星系宇宙學演化和元素演化中最重要的物理量。從1995年被薩爾皮特（Salpeter）提出到現在的半個多世紀以來，恆星初始質量函數被假設為是一個固定且普適的關係。而最近的天文觀測表明，在有著劇烈的恆星形成的星系（即星暴星系）中，大質量恆星在形成時所佔的比例更高。

圖1 宇宙演化示意圖。來源：維基百科

在銀河系和一些非常近鄰的星系中，天文學家們可以通過直接觀測恆星的光學、紫外或者近紅外發射來得到恆星的當前質量函數，從而推導出它們誕生時的分布。然而對於恆星形成活動特別劇烈的星暴星系，這些傳統方法都束手無策。這是因為這些星系中的氣體和塵埃特別多，以至於絕大部分的恆星光學發射都被塵埃吸收和遮擋住了。星暴星系往往被稱作「宇宙巨獸」，這是因為在這類星系中大質量恆星形成的速率遠遠超過銀河系等正常的旋渦星系。從光學波段來看，就好像貔貅一樣，這些星系的塵埃往往把整個星系的星光都完全「吞噬」了。這些「巨獸」在宇宙早期更常見，它們很可能最終會演化成近域宇宙的橢圓星系。幾十年來，星暴星系中的恆星初始質量函數始終是一個未知數，天文學家們只能假設它和銀河系是一樣的。

圖2：圖中是ALMA觀測到的4個遙遠的星暴星系中的13CO和C18O分子發射。上排圖像對應的是每個星系的13CO發射，下排圖像對應的是C18O發射。對於天文學家來說，這兩種同位素分子的比例可以幫助他們認證出這些星暴星系比一般星系更容易生成大質量恆星。來源：ESO

大爆炸之後，整個宇宙的元素主要由氫和氦組成。在星系中後來出現的碳、氮、氧元素，以及它們的同位素, 絕大部分產生於恆星的核聚變反應。（註：同位素是指同一組化學元素下擁有相同質子數，而中子數不同的元素。同位素的化學性質相同。同位素分子指的是含有同位素元素的分子。）在恆星內部，氫、氦以及其他已經產生的元素在幾千萬度甚至更高的溫度下互相碰撞並聚集，從而生成新的更重的元素。這個過程同時會把一小部分質量轉變成能量。核聚變反應在形成不同的碳、氮、氧同位素的過程中對溫度非常敏感。在這些同位素中，13C和18O（即碳13和氧18）的合成有很明顯的差別。大質量恆星的溫度高，它們可以合成更多的18O，而中小質量恆星溫度較低，則會合成更多的13C。當恆星演化到晚期，它們內部新產生的元素會通過恆星風、超新星爆發、新星等多種方式被噴發到星際空間中。這些噴發出的元素和分子氣體均勻混合，成為產生下一代的恆星的原料。因此，在氣體中的13C和18O同位素，就像化石一樣保留著前代恆星留下的灰燼印記。通過觀測氣體裡面的13C和18O比例，可以還原出歷史上產生這些元素的不同恆星的質量比例。

由英國愛丁堡大學張智昱博士所領導的國際團隊，利用位於智利5000米高原的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣(ALMA)，對4個高紅移星暴星系進行了同位素分子13CO和C18O的觀測。基於此數據的分析揭示了這些星系的同位素13C和18O丰度比值僅僅是銀河系類型星系的十分之一。這個結果表明，在星暴環境下傾向於形成更多的大質量恆星。該結果於2018年6月4日在線發表於英國《自然》期刊。本論文的作者包括英國愛丁堡大學的張智昱博士，歐洲南方天文台（德國總部）的羅布·伊維森（Rob Ivison）教授，義大利博洛尼亞天體物理和空間科學天文台的多娜泰拉·羅馬諾（Donatella Romano）教授，希臘塞薩洛尼基亞里士多德大學的帕特利斯·帕帕佐普洛斯（Padelis Papadopoulos）教授和義大利的里雅斯特大學的弗朗切斯卡·馬蒂烏契（Francesca Matteucci）教授。本工作獲得了歐盟科研基金的資助。

圖3：圖中橫坐標是星系的紅外光度，縱坐標是13CO/C18O丰度比值。星系的紅外光度顯示了其大質量恆星形成的活躍程度。黃色區域標明了銀河系以及近鄰正常旋渦星系盤上的13CO/C18O丰度比值。四個紅色的點代表本文中新觀測到的星暴星系的數據。繪製：張智昱

研究團隊利用ALMA觀測了4個高紅移星暴星系的13CO和C18O分子譜線發射。從分子發射結果得到，這些星系中的13C和18O丰度比值是銀河系的1/7～1/10。也就是說，相較於銀河系的13C而言，星暴星系含有更高的18O。由於18O來自大質量恆星，而13C來自小質量恆星，這意味著這些星暴星系中形成恆星的過程里，大質量恆星所佔的比例更高。這些選取的高紅移星系在宇宙大爆炸20億年後已經充分演化，它們的形成歷史相對簡單，可以更好地提取星系演化的信息。

另外一方面來說，恆星的質量越大，其壽命也越短。這是由於大質量恆星內部的溫度和壓力更高，核聚變的效率也更高，燃燒也更加劇烈和充分。而中小質量恆星內部的溫度和壓力比較低，核聚變的速率更慢，因此它們壽命比較長。對同一時間形成的同一批恆星來說，大質量恆星先釋放出18O，而中小質量恆星晚些才釋放13C，兩者在時間上存在一定的延遲。為了解決這個問題，研究團隊使用了星系演化模型，可以追蹤星系中不同質量恆星的誕生和演化過程。他們發現，在考慮了不同質量恆星的年齡差別之後，依然需要更高的大質量恆星比例才可以解釋在星暴星系中觀測到的13C與18O的比值。

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