考察“宇宙化工厂”为研究地球“碳亏损”提供线索

大质量恒星，是宇宙中重元素和紫外辐射的主要来源。它们不仅影响星系的结构和演化过程，还影响星系中新一代恒星和行星系统的形成。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。热核是具有丰富有机分子辐射的分子云核，具有高温气体和致密结构的特征。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，它能够显示大质量原恒星最直接的物理和化学环境变化的“痕迹”。

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。

构建最大的热核样本库

鉴于热核观测研究的重要性，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，单天线观测就像用一台像素极低的相机从空中对一座化工厂拍照，只能拍到工厂的模糊影像，却无法分辨工厂内部建筑及生产经营状况的细节。因此仅通过单天线观测不能得到准确的热核物理化学性质。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。

由中国科学院上海天文台刘铁研究员领衔的ATOMS项目组利用阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波天线阵（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。这是国际上首次对热核的大样本、高分辨率搜寻研究项目。ATOMS项目组发现了100余个热核候选体。

不久前，项目组成员、云南大学教授秦胜利领导的研究团队对这些热核候选体进行了模型计算，主要考察了3种复杂有机分子：含氮有机分子乙基氰、含氧有机分子甲酸甲酯和甲醇。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个是本次研究新发现的热核。刘铁说：“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。”

“内资工厂”与“外资工厂”

研究团队还系统考察了这60个热核的化学性质，调研了这些“宇宙化工厂”的“生产经营状况”。该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，加热源来自其内部，属于“内资工厂”；其余24个紧邻电离氢区，属于外部加热的“外资工厂”。

秦胜利说：“此次研究发现接近40%的热核属于外部加热。这表明热核也许不是大质量恒星形成的直接前身，而仅是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“外资工厂”生产乙基氰的效率要明显高于“内资工厂”，即外部加热的云核中乙基氰含量更高，而“外资工厂”与“内资工厂”生产甲酸甲酯的效率并没显著不同，其原因有待进一步研究。

此次研究还发现，在这60个热核中，有29个存在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。

科学家此前仅发现了不到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氮氧分离现象，而这一现象的发现将为研究地球“碳亏损”现象提供帮助。

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4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。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、被破坏，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。

（据中国科学院上海天文台公众号）

关键词： 大质量恒星 星系的结构 热核样本库 中国科学技术馆