近期，来自北京大学、中国科学院上海天文台、中国科学院国家天文台、云南大学、广州大学等的青年学者联合展开了ASSEMBLE观测项目（请详见注释1）。该团队深入而系统地研究了处于不同演化阶段的大质量原恒星团。研究揭示了这些原星团在形成和演化过程中的致密云核质量增长、逐渐靠近及星团质量分层现象，并构建了原恒星团形成与演化的完整图景。相关研究成果于2024年1月发表在《天体物理学杂志增刊》上。
多年来，科学家一直在探索大质量恒星质量增长的路径。大质量恒星质量的增长，主要来自分子云的碎裂成为致密云核，以及气体吸积导致的质量增长。以往的射电望远镜观测揭示，大质量恒星在质量巨大的团块中诞生。这些团块内部会碎裂出众多致密云核，它们的质量分布（CMF）与恒星初始质量函数（IMF）类似。这些云核被认为后续会坍缩形成恒星团，因此这些云核组成的集体又被称为原恒星团。考虑到大质量恒星形成过程的复杂性，需要使用高分辨率设备解析单个云核。同时，碎裂和吸积是随时间变化的动态过程，使大质量原恒星团成为高度动态的研究对象。相比于其几百万年的演化时标，天文观测却只能捕捉其漫长一生的短暂一瞬。为了描绘出它们完整的动态演化图景，研究者需要观测大量类似性质的样本，以复现它们在不同时间点的状态。
新一代射电干涉望远镜的高分辨率和灵敏度使得这样的工作成为可能。由北京大学、中国科学院上海天文台牵头发起的“ASSEMBLE观测项目”，使用阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波天线阵列（ALMA），对于11个活跃的大质量恒星形成区开展了深度拼接成图观测，致力于完整呈现大质量原恒星团的全貌（图1，展示了其中一个区域的观测数据）。更重要的是，该观测项目的设置与另一个国际团组的“ASHES研究项目计划”高度契合，后者的研究样本相比来说更加冷暗而早期，是大质量原恒星团的初始阶段。“这两个项目可以说是天生一对，在观测设置上高度一致，在演化阶段上互补。”论文第一作者、来自北京大学物理学院天文学系和科维理天文与天体物理研究所的博士研究生许峰玮说道，“这非常利于我们进行对比研究，从而构建演化序列。”
图1，ASSEMBLE观测样例。左图背景展示的是斯皮策太空望远镜观测的中红外伪三色图，用于展示该区域活跃的大质量恒星形成活动，叠加在上面的白色轮廓是APEX望远镜的870微米连续谱巡天数据，勾勒大质量团块区域；中图展示ALMA提高了约20倍分辨率看到的870微米连续谱数据；右图展示的是采用选源算法得到的致密云核分布情况。
研究团队从11个大质量原恒星团中提取了248个致密云核，并在其中发现了质量和密度的增长。此外，他们在ASSEMBLE样本中观察到大质量团块和最大云核质量之间的相关性，而这种相关性在ASHES样本中并未出现（图2）。这一发现表明，当ASHES观测到的原恒星团阶段演化至ASSEMBLE观测到的演化阶段时，团块与云核之间发生了共同演化，这可能是由于团块内部向中心汇聚的纤维状吸积流所驱动的。
图2，各彩色的数据点是ASSEMBLE样本，而灰色点则是ASHES样本。ASSEMBLE团块质量和最大云核质量之间存在相关性，而这种相关性则在ASHES样本中不存在。
该团队还发现，与ASHES观测到的原恒星团样本相比，ASSEMBLE的原恒星团观测样本中的致密云核彼此之间的距离更近（图3）。这一发现符合理论动态模型的预测，即致密云核受到母团块的引力势驱动向内聚集。“这种模型预测了团块尺度上的快速质量吸积，正如我们使用阿塔卡马探路者实验望远镜（APEX）观测 HCN(4-3)和CO(4-3)两条谱线所观察到的那样。”ASSEMBLE观测项目的负责人、中国科学院上海天文台的刘铁研究员说道。
图3，云核间距的概率密度分布，其中蓝色展示的是ASSEMBLE样本，绿色和灰色展示的是ASHES样本。黄色阴影显现观测中的0.02秒差距的空间分辨率。通过柱状图可见，ASSEMBLE样本中云核间距总体比ASHES样本的小。
在星团中，恒星频繁地通过两体相互作用交换动能，使得动能达到均分，其结果是大质量的恒星因为丢失能量潜入星团内部，而小质量恒星因为得到能量而分布在外侧，科学家们称之为质量分层。然而，关于质量分层是否纯粹是动力学效应，还是继承自原始原恒星团的特性，仍有争论。目前仅有少数研究团队试图在大质量原恒星团中寻找所谓的“原始质量分层”，而他们的努力受到空间分辨率不足或样本量小的限制。ASHES团队近期报告称，在大质量星团形成的初始阶段并没有发现明显的原始质量分层。有意思的是，ASSEMBLE团队观测的原恒星团中的相当数量表现出明显的质量分层（图4）。这代表着从早期的ASHES到后期的ASSEMBLE原恒星团存在着质量分层的动态演化。进一步探究发现，这种质量分层的演化不能仅由纯粹的动力学效应解释，因为系统的动力学松弛时间尺度远长于这些原恒星团的生命周期。该团队指出，这种质量分层与“竞争吸积”模型一致，即位于中心的致密云核由于更深的引力势，倾向于积累更多的质量。许峰玮表示：“观察到的原始质量分层为恒星团中的质量分层问题提供了新的见解，改变了我们对质量分层起源的传统观点。”
图4，原恒星团质量分层程度的概率密度分布，蓝色展示的是ASSEMBLE，灰色的是ASHES样本。右上方展示了两个样本与一个不存在质量分层的样本进行的统计检测。检测结果显示，ASSEMBLE样本的具有显著的质量分层现象，而ASHES则没有明显的质量分层。
结合上述发现，ASSEMBLE团队提出了一个关于大质量原恒星团演化的全面动态视角（图5）。在初始阶段，原恒星团起源于热力学金斯碎裂，表现为较大的云核间距和质量未分层。随后，纤维状结构作为“传送带”，促进物质从团块尺度的弥散介质向致密云核的转移，从而逐渐建立起团块与云核之间的联系。与此同时，原恒星从致密核心中形成，导致气体和尘埃的加热，团块转变为红外弱状态。由于持续的引力坍塌和收缩效应，原恒星团变得更加紧密，核心间距缩小，晚期出现质量分层。
图5，大质量原恒星团的演化图景卡通图。自左至右为演化早期至演化晚期，大质量云团块在中心原恒星加热下从红外暗变为红外亮。其中蓝色和橘色圆点分别代表了无星云核和原恒星云核。五角星代表了正在形成的OB星，黑色箭头代表了物质内落。在演化早期，致密云核由热金斯碎裂诞生，间距较大，没有明显的质量分层，随后在引力作用下，气体吸积至云核，云核质量增长，间距收缩，且部分开始形成原恒星。最后，质量分层建立。
在下一阶段的研究中，ASSEMBLE团队正开展一项新的观测项目（ALMA-QUARKS survey[1]），计划将样本数量从数十扩大到数百，以便更全面地理解大质量原恒星团的演化路径。刘铁总结道：“我们正踏上一条漫长的旅程，捕捉原恒星团生命中的每一个短暂瞬间，见证它们的诞生和演变。”
论文的第一作者为北京大学物理学院天文学系和科维理天文与天体物理研究所的博士研究生许峰玮。
注释：
[1] ASSEMBLE观测项目：ASSEMBLE为ALMA Survey of Star formation and Evolution of Massive Protoclusters with Blue-profiles观测项目的缩写。该项目使用阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波天线阵列（ALMA）在0.9毫米波段对11个大质量恒星形成区进行了深度且完整的拼接成图观测。
参考文献:
[1] Liu, X., The ALMA-QUARKS survey: -- I. Survey description and data reduction, RAA in press, 2023. doi:10.48550/arXiv.2311.08651.
科学联系人：
刘铁，中国科学院上海天文台，liutie@shao.ac.cn
