一场万年前的邂逅,搅起吸积盘中的漩涡!

发布时间:2023年11月27日



在恒星形成过程中,环绕着新生恒星的周围会产生吸积盘。这个吸积盘,也被称为“原恒星盘”,是恒星形成过程中的关键一环。新生恒星通过吸积盘持续地从环境中聚集气体,逐渐长大。因此,吸积盘可以说是恒星诞生和成长的摇篮。天文学家对于类似太阳的小质量恒星吸积盘的研究已有数十年历史,观测和理论结果都较为丰富,然而对于更大质量的恒星,尤其是30倍太阳质量以上的早型O型星,目前尚不清楚其形成过程中是否也存在吸积盘。这些更大质量的早期恒星远比太阳明亮,光度可达太阳的数十万倍,可剧烈影响整个星系的环境。因此,理解这些大质量恒星的形成过程具有重要意义。

近日,中国科学院上海天文台吕行副研究员与云南大学、美国哈佛-史密森天体物理中心、德国马克斯普朗克研究所合作,利用阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜(ALMA)的高分辨率观测数据,在银河系中心方向发现了一个被周围天体近距离掠过、从而产生旋臂结构的大质量新生恒星吸积盘。这一新发现证明了大质量恒星与小质量恒星的形成过程相类似,二者都会经历吸积盘和飞掠等过程。该成果于5月30日发表在《自然·天文》。

银河系中心附近的超级吸积盘

银河系的中心距离我们约2.6万光年,是一个独特而重要的恒星形成区域。这里有超大质量黑洞Sgr A*,也有数千万太阳质量的恒星形成原材料——稠密的氢分子气体。这些气体一旦在自引力作用下坍缩,将开始形成恒星。不过,银河系中心有极特殊的环境,如强湍流、强磁场和Sgr A*的潮汐作用等,而这些因素会剧烈地影响恒星形成活动。因此,银河系中心区域的恒星形成过程可能与我们所熟悉的太阳系周边的造星过程有所不同。

然而,因为银河系中心区域距离地球太远,而且银河系中心和太阳系之间有复杂的前景气体遮挡。这些影响因素都让天文学家对银河系中心恒星形成区域的直接观测非常困难。因此,天文学家必须选择有极高的分辨率和灵敏度的望远镜才能观测并研究恒星形成的细节。

吕行牵头的科研团队利用位于南美洲智利的ALMA干涉阵对银河系中心区域开展了长基线观测,分辨率达到了约40毫角秒。在这样的分辨率下的观测精度,就好比我们可以站在上海,却能清楚地看到北京的一颗足球。

借助这样的高分辨率、高灵敏度观测,研究人员在银河系中心附近区域发现了一个直径约4000天文单位的吸积盘正围绕着一颗32倍太阳质量的早型O型星转动。这是目前发现的质量最大的有吸积盘的原恒星之一,更是天文学家首次对银河系中心的原恒星盘的直接成像。

这项发现表明,大质量的早型O型星的形成过程中确实有吸积盘的参与,而且该结论在银河系中心这样的特殊环境下依然成立。

外部扰动影响吸积盘演化

与众不同的是,吕行等科学家们看到的吸积盘有一对明显的旋臂结构。这种旋臂结构在星系盘中常见,但在原恒星盘中较为罕见。一般认为这种旋臂结构是吸积盘自身引力不稳定,从而碎裂导致的。而此次研究发现,这个大质量早型O型星的吸积盘中气体温度较高、湍流较强,足以维持吸积盘自身的稳定性。因此,研究人员认为存在另一个可能的解释,即旋臂是受到外部扰动产生的。在这个吸积盘周围几千天文单位远的地方,恰好有一个3倍太阳质量的天体,可能就是外部扰动的来源。

为了验证这一猜想,研究人员首先利用解析计算,检查了这个天体几十种可能的历史轨迹,发现只有在一种轨迹下它才可以扰动吸积盘。随后,研究人员在上海天文台的高性能超级计算机平台上,利用数值模拟追踪了这一轨迹,重现了这个天体在一万多年前掠过吸积盘、并在吸积盘中搅出旋臂结构的完整过程。值得一提的是,这类数值模拟耗时很久,需要一周左右才能运行完成。因为研究人员提前利用解析计算找到了唯一合适的轨迹,所以不需要反复尝试不同的物理条件,而是一次运行就正中靶心,节省了很多时间。最终,解析计算和数值模拟结果均与观测结果完全对应,因此,这个吸积盘中的旋臂很可能是周围天体造访过程留下的遗迹。

这一发现充分说明,在恒星形成的早期阶段,吸积盘演化会频繁受到飞掠作用这样的动力学过程的影响,从而显著地影响恒星和行星的形成。所以,在研究吸积盘演化时,不能将它们作为孤立系统看待,而应当认真考虑这些动力学作用。

有趣的是,有证据显示,大约7万年前,一对名为“舒尔茨星”的双星系统就曾近距离飞掠过太阳系,它可能扰动了奥尔特云,将一批彗星送入了内太阳系。此次的研究结果表明,对于更大质量的恒星,尤其在银河系中心这样的高恒星密度的环境中,这种飞掠作用应该极其频繁。

“这颗大质量恒星的形成过程和太阳这样的小质量恒星有些类似,都有吸积盘和飞掠作用的参与。尽管质量有大小之分,但是恒星形成过程中的一些物理机制是统一的。这为解开大质量恒星形成之谜提供了重要线索。”吕行表示,“我们已经提交了新的ALMA观测申请,希望把分辨率再提高3倍,推到望远镜的极限,以期看清这个吸积盘里隐藏的细节。”