天文學家是如何搜尋這類天體的呢?星際空間中的複雜有機分子與恒星形成、生命起源等重大問題息息相關因此，開展宇宙複雜有機分子研究，對富含有機分子的熱核進行觀測，是研究天體化學、大質量恒星形成及宇宙生命起源的基礎，下面我們就來說一說關于天文學家是如何搜尋這類天體的呢?我們一起去了解并探讨一下這個問題吧!

天文學家是如何搜尋這類天體的呢

星際空間中的複雜有機分子與恒星形成、生命起源等重大問題息息相關。因此，開展宇宙複雜有機分子研究，對富含有機分子的熱核進行觀測，是研究天體化學、大質量恒星形成及宇宙生命起源的基礎。

近日，由中科院上海天文台研究員劉鐵牽頭的“大質量恒星形成區3毫米觀測（ATOMS）”項目組，通過分析阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波天線陣（ALMA）的觀測數據，對100多個熱核候選體進行證認，構建出國際最大的高分辨率熱核樣本庫，為開展大質量恒星形成與分子天體化學研究提供了絕佳樣本源。他們首次系統發現熱核中普遍存在的氮氧分離現象，為研究地球“碳虧損”問題提供了大量樣本。相關研究發表于《英國皇家天文學會月刊》。

遙遠的宇宙“化工廠”

“構成生命體的複雜有機分子在太陽誕生之前就存在于宇宙中，但其産生機制一直不明确，要弄清這一機制，必須有足夠大的觀測樣本。”劉鐵告訴《中國科學報》。

在大質量恒星形成過程中，分子雲坍縮形成了緻密雲核和大質量原恒星，引力勢能轉化的熱能或大質量原恒星的輻射加熱周圍星際物質形成“熱核”。熱核是具有豐富有機分子輻射的分子雲核，具有高溫氣體和緻密結構特征。天文學家認為，熱核是大質量恒星形成的中間階段，能顯示大質量原恒星最直接的物理和化學環境變化“蹤迹”。

“目前在星際空間中探測到的有機分子，絕大部分處在熱核中。因此，熱核堪稱高效的宇宙‘化工廠’。”劉鐵說，“由于星際空間中複雜有機分子與生命前化學息息相關，因此開展宇宙複雜有機分子研究可以增進人們對天體化學的理解，進而為大質量恒星形成、宇宙生命起源研究提供有力支撐。”

該項目組利用ALMA，對距地球幾百秒差距（1秒差距約3.2光年)至上千秒差距範圍的天體進行了系統“普查”，對146個大質量恒星形成區進行了系統熱核搜尋和證認，并從中挑出100多個候選體。這是國際上首個針對熱核的大樣本、高分辨率研究。

“我們通過對2TB海量數據的分析處理，得到近500GB的壓縮數據，構建了目前國際上最大的熱核樣本庫。”劉鐵說。

該論文審稿人認為，這項工作基于大量觀測數據，标記并分析了熱核間的相互關系、在宇宙化學背景研究方面做了紮實的分析，對進一步澄清宇宙生命起源十分重要。

“内資”“外資”有别

以往，天文學家對熱核的研究多采用大量單天線觀測數據。由于單天線觀測的波束稀釋效應，這種觀測無法分辨分子雲中的熱核。

“單天線觀測就像用一台像素極低的相機從空中對一座化工廠拍照，隻能拍到模糊的影像，無法分辨工廠内部建築細節及生産經營狀況。”劉鐵說，“因此，僅通過單天線觀測不能準确得到熱核物理化學性質。”

此外，以往幹涉陣觀測主要針對個别熱核天體開展，科學家對每個天體、每次觀測都“定制”了不同的空間分辨率和譜線設置，因此，很難通過以往的研究方式和數據得出具有統計意義的比較研究結果。

為解決上述問題，該項目組成員、雲南大學教授秦勝利帶領團隊對熱核候選體進行了模型計算，重點考察了其中3種複雜有機分子——含氮有機分子乙基氰、含氧有機分子甲酸甲酯和甲醇。

“這些複雜有機分子譜線通常在比較高的密度和溫度條件下才被激發，此前它們主要在熱核中被探測到，是常用的熱核分子探針。”秦勝利告訴《中國科學報》，“這項工作中，我們證認了60個熱核（其餘熱核候選體有待進一步确認），其中有45個是新發現的熱核。”

在對這60個熱核化學性質的進一步研究中，研究人員分析了熱核和電離氫區的相對位置，發現這些熱核的加熱源各不相同。

“60個熱核中，有36個周圍沒有電離氫區，加熱源來自内部，屬于‘内資工廠’。其餘24個緊鄰電離氫區，是外部加熱的熱核，屬于‘外資工廠’。”秦勝利解釋說，“該研究發現接近40%的熱核屬于外部加熱，這對大質量恒星形成演化序列提出了挑戰，表明熱核也許不是大質量恒星形成的直接前身。”

此外，該研究還發現，“外資工廠”生産乙基氰的效率要明顯高于“内資工廠”，即外部加熱的雲核中乙基氰含量更高。但“外資工廠”與“内資工廠”生産甲酸甲酯的效率沒有顯著異同，其原因有待進一步研究。

為地球“碳虧損”研究提供依據

憑借ALMA的超高位置精度，該研究發現60個熱核中，29個有明顯的氮氧分離現象，即含氧有機分子與含氮有機分子的空間分布不同。而此項工作之前，科學家僅發現不到5個存在氮氧空間分離的熱核。

“該研究首次系統地發現熱核中普遍存在的氮氧分離現象，這為開展地球‘碳虧損’研究提供了依據。”秦勝利說。

地球“碳虧損”現象一直是個未解之謎，研究發現地球上的碳元素豐度比星際塵埃或彗星低近4個數量級。科學家認為其起因可追溯至行星和恒星形成時。

秦勝利認為，在恒星形成過程中，冰相氮氧有機分子會在不同溫度下蒸發和破壞，導緻氮氧空間分離，此過程間接導緻碳在不同區域具有不同程度的損耗。因此，熱核中觀測到的氮氧分離現象有可能解釋地球的“碳虧損”問題。

“平方公裡陣列射電望遠鏡（SKA）是我國參與的最大的國際天文大科學裝置。研究星際有機分子産生機制并探究宇宙生命起源是SKA的主要科學目标之一。”劉鐵展望道，“本次發現的這些熱核是未來SKA觀測的重要目标源。目前，ATOMS項目組正利用高質量數據，從統計學角度深入研究大質量恒星形成，特别關注大質量原恒星的吸積及反饋過程。”

來源：中國科學報

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