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我科學家“看見”恒星誕生的最初一瞬

2019-06-06 08:58
來源:科技日報

近日,中科院國家天文臺科研人員首次捕捉到星際暗云的誕生,這是人類首次觀測到正在誕生的分子暗云。

題為《星際暗云的誕生被首次捕捉到》的文章近日在美國《天體物理雜志》發表,《自然》雜志將其選為研究亮點予以介紹,文中稱:宇宙中最小,最基本的分子是在兩個氫原子鍵結合形成氫分子時產生的。但由于很難將原子與其對應的分子氫區分開來,分子的形成難以直接觀測。研究小組使用位于波多黎各的阿雷西博射電望遠鏡觀測宇宙中的暗云。他們發現了一個暗云的原子氫的“外殼”正在被轉化為分子氫,這意味著首次探測到暗云的誕生。對氫分子形成速率的進一步分析表明這個暗云大約有600萬年的歷史,是暗云中的“嬰兒”。

約束恒星形成率的關鍵一步

氫是宇宙中豐度最高的元素,是物質的主要組分。氫原子發出波長為21厘米的超精細結構譜線輻射,是現代射電天文學的開創性發現之一。恒星形成于星際分子云中。因此氫原子轉化為氫分子的過程是宇宙可視結構形成的關鍵起始步驟。美國天文學家法蘭克·德雷克曾于上世紀六十年代提出著名的“德雷克公式”,唯像地描述了“銀河系以內存在的智慧文明的數量”依賴于銀河有多少太陽系,每個太陽系有多大可能有地球,每個地球有多大可能形成生命等等。這個公式的第一項就是銀河系內恒星形成的速率,要想明確這一項,必須掌握原子氫轉化為分子氫的速度。

這項研究完成的正是這一步驟的測量。“我們在前人研究的基礎上發展了新方法,測量在銀河系的尺度上原子氫到分子氫演化的速率。”論文作者、中科院國家天文臺研究員李菂表示,這項工作從2003年開始,直到最近才第一次找到顯示分子暗云正在形成的明確跡象。正在形成的分子暗云的年齡大概600萬年,但在銀河系的尺度上還是一個“嬰兒”。他們發展了一種觀測方法,并命名為中性氫窄線自吸收(HI Narrow Self-Absorption,HINSA)。HINSA方法通過分離氫原子HI的吸收成分,直接測量分子云中的氫原子柱密度,并基于此進一步分析得到分子氫氣形成速率及分子云的化學年齡。

李菂進一步解釋了這項觀測的科學意義:宇宙中最多的物質是原子氫,宇宙爆炸后,隨著能量密度下降,能量變成物質,其主要形態是氫原子。宇宙中氫原子的質量超過所有肉眼可見的恒星及其組成的星系的總和。按照宇宙演化的歷程,從氫原子到新的恒星,原子到分子的轉化過程是必經的。研究出氫原子到氫分子的轉化快慢,才能整體上約束銀河系恒星形成的速率,進而判斷銀河系存在生命的概率。

FAST科學計劃的重要內容

這項成果綜合利用了阿雷西博300米射電望遠鏡,美國FCRAO望遠鏡,以及赫歇爾空間紅外望遠鏡。它展示了射電波段HINSA觀測方法的重要功能,也為FAST科學規劃提供了觀測依據。

據李菂介紹,今年九月即將通過驗收的FAST射電望遠鏡的相關科學能力更強、深度更深、覆蓋銀河系更全面,在FAST的兩項“巡天”計劃中,都有關于HINSA的研究內容。“FAST開展的高靈敏中性氫巡天,能夠大規模測量銀河系內的HINSA特征,為理解星際介質演化提供系統的觀測基礎。”他說。

“這次發現,說明這一現象是存在的,研究原理是可行的。將來我們希望能夠全面揭示銀河系內暗云‘嬰兒’的數量,系統測量原子向分子轉化的時間尺度及速度。”李菂還透露,以FAST觀測數據為基礎的首篇研究文章也已經完成,預計發表在《天文和天體物理學研究》雜志上。(崔爽)

責任編輯:常磊

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