天文学家构建出国际最大规模的天体热核样本库
近日，由中国科学院上海天文台刘铁研究员牵头的ATOMS (ALMA Three-millimeter Observations of Massive Star-forming regions，简称ATOMS)项目组通过分析ALMA干涉阵（阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波天线阵，The Atacama Large Millimeter/ submillimeter Array，简称ALMA）的观测数据，对此前发现的100余个热核候选体中的60个进行了成功证认，其中有45个是新发现的热核，成功构建出国际上最大的高分辨率热核样本库，为开展大质量恒星形成与分子天体化学研究提供了绝佳样本源，并首次系统地发现热核中普遍存在的氮氧分离现象，为研究地球“碳亏损”问题提供了大量样本。
在大质量恒星形成过程中，分子云坍缩形成了致密云核和大质量原恒星，引力势能转化的热能或大质量原恒星的辐射加热了周围星际物质，形成了热核(hot molecular core)。热核是具有丰富有机分子辐射的分子云核，具有高温气体（>100K）和致密结构 (<0.1 pc)特征。天文学家认为，热核是大质量恒星形成过程中的一个中间阶段，能够显示大质量原恒星最直接的物理和化学环境变化的“踪迹”。目前在星际空间中探测到的有机分子，绝大部分是在热核中探测到的，因此，热核堪称高效的“宇宙化工厂”。由于星际空间中的复杂有机分子与生命前化学息息相关，因此开展宇宙复杂有机分子的研究对理解宇宙生命起源有重要意义，同时，对热核中的有机分子观测能够为天文学家研究大质量恒星形成、天体化学以及宇宙生命起源提供有力支撑。
天文学家对热核的研究通常采用大量的单天线和干涉阵的观测数据。然而，由于单天线观测的波束稀释效应（beam dilution），单天线观测无法准确分辨热核的物理化学性质。此外，以往的单天线和干涉阵观测主要是对个别天体开展研究，科学家们针对每一个天体、每一次观测都“定制”了不同的空间分辨率和谱线设置，因此很难通过以往的研究方式和数据得出具有统计意义的比较研究结果。
ATOMS项目组突破以往观测手段的限制，利用世界上最先进的干涉阵ALMA对146个大质量恒星形成区进行了系统的热核搜寻和证认工作，这也是国际上首次对热核的大样本、高分辨率(<0.1 pc)搜寻研究。
此前，ATOMS项目组发现了100余个热核候选体（文后链接3）。近日，项目组成员、云南大学秦胜利教授领导的团队对这些热核候选体进行了模型计算，主要考察了三种复杂有机分子：含氮有机分子乙基氰（C2H5CN）、含氧有机分子甲酸甲酯（CH3OCHO）和甲醇（CH3OH）。这些复杂有机分子谱线通常在比较高的密度和温度条件下才容易被激发，此前它们主要在热核中被探测到，是常用的热核分子探针。秦胜利教授团队的此项工作成功证认了60个热核，其余热核候选体有待进一步的考察确认。这60个热核中，有45个是本次新发现的热核。此项工作的共同通讯作者、中国科学院上海天文台刘铁研究员说：“这是目前国际上最大的热核样本库，为将来大质量恒星形成和分子天体化学研究提供了绝佳样本源”。
该团队还系统研究了这60个热核的化学性质。基于热核和电离氢区的相对位置，此次研究发现这些热核的加热源各不相同。在这60个热核中，有36个热核周围没有电离氢区(图1左图)，加热源来自其内部，是内部加热的热核；其余24个紧临电离氢区(图1右图)，是外部加热的热核。这项研究的第一作者秦胜利说：“此次研究发现接近40%的热核属于外部加热，这对大质量恒星形成演化序列提出了挑战。这表明热核也许不是大质量恒星形成的直接前身，而仅仅是反映了大质量恒星形成区附近的高温高密富含有机分子的区域”。此外，该研究还发现，外部加热的热核生产乙基氰的效率要明显高于内部加热的热核，即外部加热的云核中乙基氰含量更高，而两种加热形式的热核产生甲酸甲酯的效率并没显著异同，其原因有待进一步研究。
图1. 典型的内部加热热核(左图)与外部加热热核（右图）。三色图：HC3N(红)最强处为热核，H40α (绿) 示踪电离氢区，8微米辐射(蓝)示踪光致电离氢区。
凭借ALMA的超高位置精度(0.03角秒)，该研究在这60个热核中的29个中发现了明显的氮氧分离现象，即含氧有机分子与含氮有机分子的空间分布不同（如图2）。科学家们曾发现的最著名的氮氧空间位置分离例子是Orion-KL和W3（OH)。在此项工作之前，科学家也仅发现了不到5个存在氮氧空间分离的热核。本次的研究结果是首次系统地发现热核中普遍存在的氮氧分离现象，而这一现象的发现将为开展地球“碳亏损”现象的研究提供依据。
地球“碳亏损”现象一直是一个未解之谜，研究发现地球上的碳元素丰度比星际尘埃或彗星低近四个数量级，科学家认为其起因可追溯至行星和恒星形成过程 (van’t Hoff et al. 2020，ApJL, 897, 38L)。秦胜利认为：“在恒星形成过程中，冰相氮氧有机分子会在不同温度下蒸发和破坏，会导致氮氧空间分离，此过程间接导致碳在不同区域具有不同程度的损耗。因此，热核中观测到的氮氧分离现象有可能解释地球的碳亏损问题”。该研究观测到的大样本氮氧分离为以后进行深入研究提供了样本。
刘铁展望道：“平方公里阵列望远镜（SKA）是我国参与的最大的国际天文大科学装置。研究星际有机分子产生机制并探究宇宙生命起源是SKA的主要科学目标之一。我们发现的这些热核是未来SKA观测的重要目标源”。此外，ATOMS项目组正利用高质量的ATOMS数据从统计学角度深入研究大质量恒星形成，特别关注大质量原恒星的吸积及反馈过程。相关重要研究成果将陆续发布。
图2. 典型的存在氮氧分离现象的热核。不同颜色对应不同有机分子的空间分布。可以看出，含氧分子(甲醇与甲酸甲酯)与含氮分子(乙基氰)空间分布非常不同。
ATOMS项目的国际团队包含来自中国大陆及台湾、韩国、日本、美国等70余位学者。该项工作受科技部重点研发专项、国家自然科学基金、中科院对外合作重点项目及中国载人航天基金等支持。
该工作科研文章链接：
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2022MNRAS.tmp..247Q/abstract
【拓展阅读】
ATOMS相关文章链接：
[1] ATOMS-I: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020MNRAS.496.2790L/abstract
[2] ATOMS-II: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020MNRAS.496.2821L/abstract
[3] ATOMS-III: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2021MNRAS.505.2801L/abstract
[4] ATOMS-IV: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2021MNRAS.tmp.2966Z/abstract
[5] ATOMS-V: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2021MNRAS.tmp.2976L/abstract
[6] ATOMS-VI: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2021MNRAS.508.4639Z/abstract
[7] ATOMS-VII: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2022MNRAS.tmp..113L/abstract
[8] ATOMS-VIII: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2022MNRAS.tmp..247Q/abstract
科学联系人：
刘铁，中国科学院上海天文台，liutie@shao.ac.cn
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