太空中哪兒比較熱？甲醛知道
來源：中科院之聲
恆星形成與分子譜線
我們都在晴朗的夜空中看過星星。過去我們以為它們永遠在那裡，一成不變，所以叫它們恆星。現在我們知道，宇宙中的一切都有生有滅。星星也不例外，它也有自己的形成期、青壯年期和衰老期。
青壯年期的恆星就像太陽一樣，是一個熊熊燃燒的火球，不停歇的發著光和熱，在黑暗的夜空中閃耀。到了衰老期，恆星先是變大成為紅巨星，最終以爆炸的方式形成黑洞或中子星、或白矮星等緻密天體。
圖1 銀河系的CO分子雲
然而，我們對恆星的形成期的認識要少得多。這是因為恆星形成於緻密的分子雲中（如圖1），厚厚的分子雲像一層幕布遮住了舞台，讓我們看不見舞台上正在表演的故事。幸運的是，分子雲中包含了各種各樣的分子。這些分子可以發射分米、厘米、毫米、亞毫米等不同波長的電磁波，我們稱之為分子譜線。
這些分子譜線與可見光最大的不同就是，它們可以穿過厚厚的分子雲幕布，告訴我們分子雲幕布後面發生的故事。這些分子譜線各有特點，有些來自於分子雲核的外部，有些來自於分子雲核的內部，有些跟分子雲核內部的運動有關。
因此，通過合適的分子譜線觀測，我們就可以觀測分子雲內部發生的物理化學過程，研究揭示恆星是如何形成的。測量和研究緻密分子雲核的溫度和密度就是恆星形成研究的一項重要的基礎性工作。
甲醛分子譜線：太空中的溫度計和密度計
甲醛（H2CO）在分子雲中廣泛存在，在厘米、毫米、亞毫米波段都有輻射，適合不同類型的望遠鏡觀測。它是一種稍微不對稱的陀螺型分子，對溫度和密度敏感。
溫度和密度的變化可以改變甲醛分子在不同能級上的分布，從而引起甲醛分子譜線在不同波長上輻射強度的變化。觀測不同波長的甲醛分子譜線，分析其強度，就可以知道分子雲的溫度和密度。甲醛分子的化學演化史簡單，在各種環境都能穩定存在，而且丰度變化小。因此，甲醛分子是一種理想的太空溫度計和密度計。
近期，中國科學院新疆天文台恆星形成與演化團組使用甲醛分子作為分子氣體探針，開展了系統的觀測研究工作。
分子雲溫度高、密度高的地方，有可能正在形成恆星
在較大尺度的分子雲中，沒有形成恆星的地方溫度和密度較低，而在形成恆星的緻密分子雲核中，溫度和密度很高。通過測量分子雲的溫度和密度分布就可以知道分子雲中哪些地方存在緻密核，可以形成恆星。哪些地方溫度高，正在形成恆星。
圖2 南山26米射電望遠鏡
科研人員使用南山26米射電望遠鏡（圖2）對天鷹座（Aquila）巨分子雲進行了甲醛吸收線（6cm）的大尺度成圖觀測，首次給出了分子雲中甲醛吸收線激發溫度的大尺度分布（如圖3左）。
從圖中可以清楚地看到，W40電離氫區周圍具有較高的甲醛激發溫度，這緣於電離氫區的加熱作用。兩個緻密核Serpens South和Serpens 3區域的激發溫度明顯升高，表明這兩個區域正在進行劇烈的恆星形成活動。
獵戶座（Orion）巨分子雲的溫度分布（如圖3右）顯示，甲醛測得的氣體溫度與中紅外波段塵埃輻射測量的結果一致，表明甲醛分子示蹤了靠近恆星形成活動區域的較熱氣體。
圖3 天鷹座（Aquila）巨分子雲（左）和獵戶座（Orion）巨分子雲（右）的溫度分布。
在恆星形成過程中，緻密核的密度不變，溫度越來越高
對於正在形成恆星的緻密分子雲核，由於恆星形成活動的加熱，溫度會不斷升高。對銀河系不同演化階段大質量恆星區的觀測研究發現，甲醛測量的氣體溫度從43K一直到300K以上（如圖4）。
圖4 使用甲醛、氨分子和塵埃測量的內銀河區100個大質量分子雲團塊的溫度
甲醛測得的氣體溫度和甲醛譜線線寬及分子雲團塊的光度相關，並且隨著演化而增加，這表明高的光度對應著更大的湍流活動。甲醛測量的密度不隨分子雲團塊的演化階段而變化，但溫度隨著演化而上升。甲醛示蹤的熱氣體可能受到分子雲團塊內部的大質量恆星形成活動的加熱。針對最近的河外星系大麥哲倫雲中恆星形成區的觀測研究也得到了相似的結果。
我們的研究表明甲醛是一種有效的分子雲溫度計和密度計，既可以探測彌散的分子雲溫度和密度，也可以探測緻密核的溫度和密度，適合研究從分子雲到恆星的演化過程。我們正在使用南山26米望遠鏡在6厘米波段開展北天銀道面甲醛巡天，將首次給出北半球銀河系分子雲的大尺度溫度和密度分布。在此基礎上，進一步使用毫米和亞毫米波段的甲醛譜線測量其中緻密結構的密度和溫度分布。通過這樣的觀測，我們有望在分子雲演化和恆星形成的研究中取得一些突破性成果。
相關成果發表於國際期刊（Tang et al。 2017， A&A， 598， A30； Tang et al。 2017， A&A， 600， A16； Tang et al。 2018， A&A， 609， A16； Tang et al。 2018， A&A， 611， A6； Komesh et al。 2019， ApJ， 874， 172）
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