星體考古學:天文學家聚焦於恆星形成的早期、未被觀察到的階段

兩篇近期論文提出了可能的“第一核”——短暫存在併產生原恆星的天體


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地球上所有生物的生存都歸功於太陽,天空中那個偉大的發電廠。但是太陽的生存又歸功於什麼呢?

太陽及其同類恆星形成的過程,將寒冷的塵埃和氣體雲轉變為一個燃燒數十億年的核聚變反應堆,由於不斷完善的理論工作、精密的計算機模擬以及對太空中恆星形成區域的詳細觀測的支援,這個過程已經被相當好地理解了。

但並非所有恆星形成的階段都已被直接觀察到。特別是,一個被稱為第一流體靜力核,或簡稱為第一核的短暫階段,至今仍未被探測到,儘管低質量恆星(如太陽)如何形成的模型長期以來都暗示了它的存在。但在最近幾個月,兩個小組已經識別出可能處於第一核階段的早期恆星,它們都位於大約 800 光年外的英仙座。如果其中任何一個可以被證實,它將填補恆星形成過程中證據上的空白,儘管只是一個狹窄的空白。

低質量恆星(那些演化後質量不超過太陽質量幾倍的恆星)的第一核,理論家早在 1960 年代就預測了它的存在,它在稠密的 газовое 和塵埃雲開始在自身引力作用下坍縮時形成,在核心物質被壓縮時釋放熱量。當雲的中心區域變得足夠緻密和不透明時,內部滯留的熱量阻止了進一步的坍縮,產生了一個相對穩定的第一核,溫度僅約為 100 開爾文(–175 攝氏度),如果它位於太陽的位置,其大小足以吞噬太陽系內部行星。但是,儘管隨著第一核的形成,坍縮速度減慢,但它並沒有完全停止,核心的密度和溫度隨著時間的推移繼續緩慢上升。

在約 2,000 開爾文(1,700 攝氏度)時,核心的主要氣體——氫氣,從分子分解成單個原子,核心開始更劇烈的坍縮。“所有用於保持核心高溫的能量都用於分解分子氫,”加州大學伯克利分校的博士後天文學家 梅麗莎·伊諾克 解釋說,她是 10 月 10 日出版的《天體物理學雜誌快報》 中一篇研究報告的合著者,該報告確定了 一個未來恆星可能的第一個核。“因此,它不再有能力抵抗坍縮。”從坍縮中出現的是更小、更緻密、更熱的物體——一顆原恆星。

天文學家及其望遠鏡尚未確鑿地觀測到任何恆星的第一核並不令人驚訝:它的壽命只有數萬年,甚至更短,並且發光非常微弱。“這是一個非常短暫的階段,這也是我們沒有觀察到它的原因之一,而且它在紅外線中輻射非常微弱,”耶魯大學天文學家 埃克托·阿塞 說,他是 6 月 1 日出版的《天體物理學雜誌》 上一篇論文的合著者,該論文描述了 另一個符合第一核階段早期恆星標準的天體。“我們看到沒有恆星的核心,即尚未有原恆星的核心,我們也看到了非常年輕的原恆星,但我們沒有看到兩者之間的這個時期。”

兩個小組都尋找了本應不存在輻射的區域——先前被認為是無恆星的稠密雲。在斯皮策太空望遠鏡進行的深入觀測中,伊諾克小組在被稱為 Per-Bolo 58 的區域識別出長紅外波長 70 微米(1 微米為百萬分之一米)的紅外輻射,而在較短波長處則幾乎沒有,這與寒冷的第一核的預期相符。

阿塞及其同事使用地面亞毫米波望遠鏡陣列定位了來自名為 L1448 IRS2E 區域的分子氣體外流。一些模擬預測,這種外流應該從第一核中發出,因為圍繞核心的旋轉物質盤與天體的磁場相互作用。研究人員沒有在 70 微米處探測到候選天體;他們只能訪問斯皮策太空望遠鏡對該區域進行的廣泛調查,而沒有像伊諾克小組在 2008 年獲得的對 Per-Bolo 58 的深入觀測。(該太空望遠鏡在 2009 年耗盡了冷卻劑,使其探測器在長紅外波長下無法使用。)但在源的調查影像中,在較短波長處也沒有檢測到紅外線,這也表明候選第一核確實比附近的已知年輕原恆星更冷,所有這些原恆星都出現在斯皮策資料中。

但沒有一個第一核候選者是完全可靠的,而且 40 多年前預測第一核存在的天文學家仍然不相信他的預測已被證實。“現在感到高興還為時過早,因為這些都不是決定性的發現,”耶魯大學天文學家 理查德·拉森 說,他在 1969 年對恆星形成進行數值模擬,預測了短壽命第一核的存在。“在這兩種情況下,它們都具有暗示性,但並非結論性。”

阿塞小組的 L1448 IRS2E 尚未在紅外線中被探測到,而伊諾克及其同事的 Per-Bolo 58 顯示出微弱的相對溫暖的輻射訊號,根據最簡單的寒冷第一核模型,這種輻射訊號不應該存在。伊諾克指出,這種輻射可能來自外流,該外流在核心周圍的物質中開闢了一個空腔,使其不那麼不透明,並允許更多輻射逸出。“另一種可能性是它可能只是一顆非常非常微弱的原恆星,因此我們仍然需要進行進一步的觀測來排除這種可能性,”她說。歐洲航天局的 太空赫歇爾天文臺(於 2009 年發射)和阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波陣列 (ALMA)(目前正在智利建造)可能有助於在未來幾年內識別和跟蹤可能的第一核。

拉森指出,無論這兩個小組看到的是第一核還是僅僅是非常年輕、極其微弱的原恆星,天文學家似乎已經識別出了恆星在其歷史的非常早期階段——可能比任何人迄今為止看到的都早。“無論在哪種情況下,他們都在關注一個非常早期的階段,”拉森說。“現在可以放大這些非常早期的階段,這很有趣。”

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