天文学家首次捕捉到围绕小恒星旋转的“迷你星系” _恒星

分层气体运动结构。从左上开始，从大到小顺时针移动：左上——“螺旋状”系统;右上——“条状”结构;右下 - 旋转落入包络;左下 - 吸积盘。图片来源：SHAO
据今日科学新闻：夜空中闪烁的每一颗星星，都有一个故事。有些，比如我们的太阳，规模适中，稳定燃烧了数十亿年。然而，其他的则是巨星——质量超过太阳质量八倍的大质量恒星——它们在超新星爆炸中强烈燃烧，存活时间短暂，并壮观地死亡。这些恒星不仅仅是太阳的放大版。它们是宇宙变革的引擎。它们猛烈的辐射塑造了围绕着气体云的形状，它们强大的风使星系中充满了重元素，它们的爆炸性死亡引发了新一代恒星的诞生。
然而，几十年来，科学家们一直对一个问题感到困惑：如此大质量的恒星最初是如何形成的？与低质量恒星不同，低质量恒星的诞生可以追溯到相对简单的引力坍缩，大质量恒星是从混乱、湍流的环境中出现的，在这些环境中，引力、辐射和磁场争夺主导地位。了解它们的出生过程仍然是天体物理学最具挑战性的谜团之一。
突破性的发现
现在，中国科学院上海天文台（SHAO）的研究人员以极其详细的方式阐明了这个谜团。他们使用一些世界上最强大的望远镜——智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）和新墨西哥州的甚大阵列（VLA）——首次追踪了气体如何从遥远的距离流入为不断增长的大质量恒星提供食物的旋转物质盘。
他们的发现于 9 月 17 日发表在《科学进展》上，被誉为了解大质量恒星如何聚集质量的“教科书案例” 。这一突破不仅揭示了一个发现，而且揭示了整个宇宙编排，展示了巨大的气体流如何将自己组织成一个有序的分层结构，让人想起微型星系。
IRAS 的宇宙苗圃 18134-1942
该团队将观测重点放在 IRAS 18134-1942 上，这是一个巨大的恒星形成区域，距离地球约 1.25 千秒差距（约 4,000 光年）。在这里，一颗新生的巨星正在从其母云中积累物质。
利用 ALMA 非凡的灵敏度，研究人员追踪了气体的运动，从高达 2,500 天文单位（AU）的尺度向下追溯到距中心原恒星仅 40 个天文单位的尺度。从这个角度来看，一个天文单位是地球和太阳之间的平均距离。这意味着他们跟踪了从太阳系宽度近 60 倍的气体流入到与冥王星轨道相当的尺度。
微波激射器天体测量进一步提高了测量的精度，该技术使用分子的自然微波发射作为宇宙信标，使天文学家能够以惊人的精度绘制气体的位置和运动图。
微缩画中的银河之舞
他们的发现既令人叹为观止，又意义深远。在最大的尺度上，巨大的螺旋状气体流由周围分子云的旋转和坍缩形成，将物质向内引导。这些螺旋汇聚成细长的条形结构，推动气体更靠近恒星形成的核心。
在更深处，这种物质聚集成一个旋转的、塌陷的包层——一个包裹着形成恒星的致密气体区域。最后，在短短几百个天文单位内，气体沉降到一个圆盘中，该圆盘以开普勒行星运动定律所描述的精确、平衡的方式旋转。
整个系统就像一个微型棒状螺旋星系，一个优雅的、自组织的结构，嵌套在分子云的混乱环境中。它生动地提醒我们，宇宙，即使在最动荡的角落，也常常在混乱中找到秩序。
调节恒星的成长
该研究还揭示了这些不同层之间的气体传输如何变化。在螺旋状和棒状结构中，气体以每年约万分之一太阳质量的速度向内流动。但靠近圆盘，流入速度急剧减慢至每年太阳质量的百万分之一。
这种减少表明包层和圆盘充当调节器，仔细调节恒星的生长速度。如果没有这种调节，大质量恒星可能会过快地积累物质，并因压倒性的辐射而破坏它们自身的生长。相反，分层吸积系统确保了更可持续、循序渐进的恒星喂养过程。
更有趣的是，研究人员发现，与内盘相比，外包络的旋转轴在相反的意义上倾斜。虽然不是真正的反转，但这种错位可能反映了湍流气流对角动量的不均匀传递。换句话说，为恒星提供食物的物质并不总是完美排列，但恒星形成系统找到了一种适应的方法。
了解宇宙秩序的窗口
该研究的第一作者、通讯作者麦晓峰博士表达了这一发现的意义：“我们的结果表明，大块分子云团的内部结构不是随机的或混乱的，而是可以表现出高度有序的、类似星系的层次模式。
这种洞察力是变革性的。多年来，天文学家一直怀疑大质量恒星的形成本质上是混乱的，以湍流和随机性为主。但 SHAO 团队已经表明，在表面混乱之下隐藏着非凡程度的秩序——一种反映银河尺度上结构的宇宙结构。
大局观
这项工作是国际 ALMA-ATOMS/夸克调查的一部分，这是一个雄心勃勃的项目，在过去五年中收集了 140 多个大质量恒星形成区域的多尺度数据。该调查旨在全面了解大质量恒星如何形成、演化和影响周围环境。
据项目负责人兼共同通讯作者刘铁博士介绍，该团队目前正在使用ALMA分析其他系统，并将他们的发现与先进的数值模拟相结合。这些努力有望加深我们对宇宙中最基本过程之一的理解：塑造星系并最终形成生命本身的恒星的诞生。
为什么重要
与较小的恒星相比，大质量恒星可能很少见，但它们的影响力却是巨大的。它们产生碳、氧和铁等重元素——行星和生命的组成部分。他们的超新星爆炸为星系播种了未来恒星的原材料。它们的辐射和风塑造了星际介质的结构，为宇宙演化奠定了基础。
了解大质量恒星就是了解宇宙本身的生命周期。邵氏团队的发现不仅让我们更清楚地了解了这些恒星巨星是如何诞生的，而且让人们更深入地了解了隐藏在宇宙中的优雅和秩序。
宇宙交响曲展开
从地球轨道大小数万倍的螺旋气流到直径仅几百个天文单位的微调圆盘，这一发现描绘了一幅正在形成的大质量恒星的令人惊叹的肖像。它向我们表明，宇宙远非一片随机的混沌海洋，而是经常将自己组织成令人惊叹的美丽结构。
一颗大质量恒星的诞生不仅仅是气体的坍缩，它是一首宇宙交响曲，在旋臂、流动的条形、坍塌的包络和优雅的圆盘中演奏。多亏了天文学家的细心观察，我们现在能够见证这场盛大的表演，它不是用音符写成的，而是用光、重力和时间写成的。
在那个愿景中，我们发现自己再次被宇宙谦卑，提醒我们，即使在最强大和最动荡的时刻，也存在着一种将最小的粒子与最宏伟的星系联系起来的和谐。