利用智利阿爾瑪天文台，由MPIA的Henrik Beuther領導的一組天文學家進行了迄今為止最詳細觀測，觀察到巨大的氣體雲如何坍塌成稠密的核心，這些核心又成為恆星的誕生地。天文學家們發現，碎片形成的機制相當簡單，這是由雲層的壓力和重力共同作用的結果。更複雜的特徵，如磁力線或湍流，所起的作用比之前認為的要小。當巨大的氣體雲和塵埃坍塌時，恆星就誕生了。每當其中一個坍縮區域變得足夠熱和稠密，足以發生核聚變時，一顆恆星就誕生了。對於大質量恆星，也就是那些質量是太陽8倍以上的恆星來說，這只是問題的一部分。宇宙中最大的恆星不是單個誕生的，它們是由大量的分子氣體雲團形成，這些分子氣體雲團形成了一系列的碎片，其中許多碎片產生了一顆恆星。

博科園-科學科普：天文學家長期以來一直想知道，這種形成恆星的碎片模式是否需要不同於低質量恆星的物理機制。建議包括可能破壞一個地區穩定並導致更快坍塌的湍流氣體運動，或者可以穩定從而推遲坍塌的磁場。不同的機制應該會在多顆恆星形成區域留下痕迹。導致大質量恆星形成的坍縮是在不同層次上發生的。在最大的尺度上，恆星的形成涉及到巨大的分子雲，這些分子雲主要由氫氣組成，直徑可達幾十光年到100多光年。在這些雲團中有一些密度稍高的團塊，通常直徑幾光年。每個團塊包含一個或多個緻密核，直徑小於1 / 5光年。在每個核心內，坍縮會導致單個恆星或多個恆星的形成。一起，在單個星團的核心產生的恆星將形成一個星團。

星雲碎片的尺度

這種碎片在多個級別上的規模取決於所涉及的機制。最簡單的模型只需要高中物理就能寫下來：理想氣體的壓強取決於它的溫度和密度。在簡化後的氣體雲中，假設其密度恆定，壓力必須足夠強大，足以平衡重力(由牛頓引力定律給出)——甚至在雲的中心，那裡所有周圍物質的向內引力誘導的推力是最強。把這個條件寫下來，你會發現任何這樣的等密度雲只能有一個最大的大小。如果一朵雲大於這個最大值，就會碎裂並坍縮。年輕大質量星團的碎片化真的是由這些相對簡單的過程所主導嗎？這是不需要的，一些天文學家已經構建了更複雜的場景，包括湍流氣體運動和磁場線的影響。

NGC 3603大質量星團的圖像，由甚大望遠鏡拍攝。它可能以與G351.77-0.54中剛剛形成的那個相同方式演化而來，這幅作品中描繪的物體就是G351.77-0.54。圖片：ESO

這些額外的機制改變了雲穩定性的條件，並且通常增加了不同類型片段的規模。對雲大小的不同預測提供了一種方法，可以將簡單的物理場景與更複雜的競爭對手進行對比。這就是Henrik Beuther和同事在觀察天蠍座南部恆星形成區域G351.77-0.54時所做的。以前的觀察表明，在這一地區，可以在行動中發現碎片。但這些觀測都不足以顯示出最小尺度的興趣來回答碎片尺度問題：原恆星核心，更不用說它們的子結構了。

阿爾瑪做了最詳細的觀測

天文學家使用了位於智利阿塔卡馬沙漠的ALMA（阿爾瑪）天文台。ALMA將66台射電望遠鏡同時觀測到的數據結合起來，可以達到20毫秒以下的解析度，這使得天文學家能夠辨別比以往任何射電望遠鏡都要小十倍以上的細節，並且具有無與倫比的靈敏度——這種結合已經在其他領域產生了許多突破性的觀測結果Beuther和同事利用ALMA將大質量恆星形成區域G351.77-0.54縮小到小於50個天文單位的亞核尺度(即小於地球到太陽平均距離的50倍)。這是技術如何推動天文進步的一個主要例子。

如果沒有ALMA前所未有的空間解析度和靈敏度，我們不可能獲得的結果。研究結果，再加上之前對同一塊星雲進行的更大規模研究，表明熱氣體物理學正在贏得勝利，即使是對質量非常大的恆星來說也是如此：正如新觀測結果所顯示的那樣，星雲內團塊的大小，以及團塊內核甚至一些核子結構的大小，不需要額外的成分。在案例中，同樣的物理學提供了一個統一的描述。從最大尺度到最小尺度的碎裂似乎是由相同的物理過程式控制制。

小吸積盤，新挑戰

對於科學描述來說，簡單總是一件好事。然而同樣的觀測也提供了一個讓天文學家們保持警覺的發現。除了研究碎片化，Beuther等人還一直在試圖解開雲中的新生恆星(「原恆星」)結構。天文學家預計這樣的一顆原恆星將被一個叫做吸積盤的旋轉氣體盤所包圍。從邊緣的內圓盤，氣體落在正在生長的恆星上，增加質量。此外電離氣體運動產生的磁場與氣體本身相互作用，產生被稱為射流的緊密聚焦流，射流將一些物質射入垂直於圓盤的空間。

來自這些區域的亞毫米光攜帶著塵埃運動的信號(「譜線的多普勒展寬」)，而塵埃的運動反過來又追蹤著氣體的運動。但是，當伯瑟和合作者希望從吸積盤上得到一個清晰的信號時，卻發現了主要是噴射流的信號，在周圍的氣體中開闢了一條相對平坦的路徑。顯然，吸積盤比天文學家預期的還要小——這對未來更高空間解析度的觀測是一個挑戰。

博科園-科學科普｜研究/來自：馬克斯普朗克協會

參考期刊文獻:《天文學和天體物理學》

DOI: 10.1051/0004-6361/201834064

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