看不见的大质量恒星幼儿，是怎么形成的？

出品：科普中国

作者: 马应秀 蒋晨峰（中国科学院新疆天文台）

监制：中国科普博览

经常听见有人会说，宇宙真浪漫啊，天文学家真浪漫啊。其实，每一次对星空的凝望，也是在寻找自己的起源，我们的故事就是宇宙的故事。今天，就来聊一聊关于恒星的那些事儿。

恒星不恒——恒星也有生命周期

仰望星空，那一闪一闪眨着眼睛的星星都是恒星。之所以将其起名为恒星，是因为人们看到的它好像是恒定不变的，这些星星好像不会消失，也不会变大变小或变亮变暗。而事实上，恒星也有自己的生命周期，包括胚胎期、幼儿期、青年期、壮年期和老年期，当然，最后也摆脱不了死亡。

既然恒星存在着生命周期，为什么我们眼睛看不到恒星的这些变化呢？这是因为一般恒星的寿命在百万年到百亿年。和人的寿命（百年）相比，我们看到的仅仅是恒星一生中的一瞬间而已。

图1 星空

（图片来源：Veer图库）

备受关注的“出生”——恒星是如何形成的？

深邃的夜空总是自带神秘，除了肉眼可见的星星以外，是否还隐藏着其他我们看不见的东西呢？答案是肯定的，很多漂亮的星云，处于胚胎期、幼儿期的恒星，是无法通过人眼看见的。因为早期恒星发出的光比较弱，而且被包裹在厚厚的分子云里，我们眼睛没法直接看见它们。

然而，天文学家们却对这些肉眼看不见的早期恒星倍感兴趣，因为它不仅关系到恒星是如何诞生的，还关系到行星以及生命的形成。

通过红外望远镜，可以看到包裹在分子云中的早期恒星，如图2所示为斯皮策空间望远镜在红外波段拍摄的分子云，很多发光的蓝白色小点都是已经诞生的恒星。可以确定的是，恒星诞生于分子云中。但分子云是如何“孕育”出早期恒星这一问题，到目前为止还没有统一的答案。

这是因为在恒星的一生中，早期形成期很短，尤其是对于大质量恒星而言，这一阶段的演化非常快。此外，大质量恒星是在大的分子云稠密核中形成的，因此其周围的分子包层比较厚，即便是使用红外望远镜，也很难观测到。

由于种种原因的存在，我们对大质量恒星的早期形成过程还不够了解，因此，关于大质量恒星形成理论的研究一直都是科学家们所关注的热点问题。

图2 斯皮策空间望远镜在红外波段拍摄的分子云

（图片来源：NASA）

两种不同的理论模型

关于大质量恒星的形成，目前比较流行的理论主要有两种，分别是竞争吸积理论和单核坍缩理论。

竞争吸积理论强调恒星的成团性，好比同一时期诞生的一群孩子抢着吃东西，谁吃得多就长得快、长得大。但竞争吸积理论的不足在于无法很好的解释孤立的大质量恒星的形成，而单个、独立的大质量恒星在星系中却很常见。

单核坍缩模型则强调恒星的独立性，即恒星彼此之间相对独立。但该理论基于一个前提——大质量恒星有一个质量大、密度大的分子云团块（核）前身，而这个致密分子云团块（核）是如何产生的却不清楚。然而，快速外部压缩提供了一种快速形成大质量、高密度分子团块（核）的机制。

“云云碰撞”——典型的快速外部压缩机制

星系中广泛分布着由大量分子气体组成的分子云。天文学家在上世纪七十年代提出分子云之间的碰撞可以快速形成大质量致密团块，进而形成恒星，这就是 “云云碰撞”理论。通过模拟发现，当两个不同速度的分子云相撞后会快速形成一个质量大、密度高的致密压缩层（图3），这个压缩层中因重力不稳定更容易形成大质量团块（核）。

图3 天文学家模拟的两分子云碰撞后不同阶段呈现的形态

图片来源：Takahira et al. (2014)

G323.18+0.15——一个完美的“云云碰撞”例子

虽然云云碰撞理论很早就提出来了，但相关的观测研究却非常少。幸运的是，我们利用红外连续谱数据和12CO、13CO分子谱线数据发现了一个“云云碰撞”候选体G323.18+0.15。G323.18+0.15位于银道面上，距离我们大约11508光年。

我们发现，“云云碰撞”可以形成质量大、密度高的分子云团块（核），进而分子云团块/核中会形成大质量恒星。经过推算，G323.18+0.15中的“云云碰撞”可能发生在1.59兆年以前。虽然我们没能亲眼目睹碰撞的过程，但可以找寻碰撞留下的痕迹。

痕迹一：被“撞弯”的形态，也叫U型或拱形结构，如（图4）白色等高线所示，中间有被“撞弯”的缺口。

痕迹二：碰撞后的两分子云。它们速度不同，却像钥匙和钥匙孔很好的“镶嵌”在一起，如（图4）蓝色等高线和白色等高线。当然，几兆年后碰撞的两分子云也有可能会再次分开。

图4 分子云复合体G323.18+0.15，三种不同颜色的轮廓线代表三个子分子云，背景为24微米、8微米、4.5微米的RGB三色图

（图片来源：新疆天文台提供）

痕迹三：碰撞相互作用区域质量大、密度高，并且已经形成了致密的大质量分子云团块（核），它们满足大质量恒星形成的条件（图5）。

图5 分子云复核体G323.18+0.15的柱密度分布图

（图片来源：新疆天文台提供）

痕迹四：由12CO、13CO分子谱线数据提供的分子气体动力学信息，我们发现碰撞区域两个分子云的气体混合在一起，符合碰撞特征（图6）。

图6 碰撞分子云的形态和谱线特征

（图片来源：新疆天文台提供）

痕迹五：分子云G323.18+0.15中有恒星形成。通过对分子云引力平衡状态的分析，G323.18+0.15的质量还不足以形成恒星，但观测上却已经看到了年轻恒星，这说明正是曾经的意外碰撞导致了恒星的形成。

结语

目前，通过观测找到的“云云碰撞”样本只有50多个。从已有的研究结果来看，“云云碰撞”可以触发大质量恒星的形成，也可以解释星系中为什么会存在的单个、独立的大质量恒星。但宇宙中“云云碰撞”的概率有多大，碰撞发生的过程以及触发大质量恒星形成的效率等问题还需要深入研究。

相信在未来，我们能够找到更多的“云云碰撞”样本，通过不同波段、不同分辨率的观测研究，清楚地揭示“云云碰撞”的过程。

图7 分子云复合体G323.18+0.15中发生云云碰撞的简化示意图

（图片来源：新疆天文台提供）

编辑：应奕可

【注：此项研究成果已正式发表于国际天文核心期刊《天文学与天体物理学》（2022，A&A，663，A97）。】