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我科学家“看见”恒星诞生的最初一瞬

来源:科技日报2019-06-06 09:22

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  近日,中科院国家天文台科研人员首次捕捉到星际暗云的诞生,这是人类首次观测到正在诞生的分子暗云。

  题为《星际暗云的诞生被首次捕捉到》的文章近日在美国《天体物理杂志》发表,《自然》杂志将其选为研究亮点予以介绍,文中称:宇宙中最小,最基本的分子是在两个氢原子键结合形成氢分子时产生的。但由于很难将原子与其对应的分子氢区分开来,分子的形成难以直接观测。研究小组使用位于波多黎各的阿雷西博射电望远镜观测宇宙中的暗云。他们发现了一个暗云的原子氢的“外壳”正在被转化为分子氢,这意味着首次探测到暗云的诞生。对氢分子形成速率的进一步分析表明这个暗云大约有600万年的历史,是暗云中的“婴儿”。

  约束恒星形成率的关键一步

  氢是宇宙中丰度最高的元素,是物质的主要组分。氢原子发出波长为21厘米的超精细结构谱线辐射,是现代射电天文学的开创性发现之一。恒星形成于星际分子云中。因此氢原子转化为氢分子的过程是宇宙可视结构形成的关键起始步骤。美国天文学家法兰克·德雷克曾于上世纪六十年代提出著名的“德雷克公式”,唯像地描述了“银河系以内存在的智慧文明的数量”依赖于银河有多少太阳系,每个太阳系有多大可能有地球,每个地球有多大可能形成生命等等。这个公式的第一项就是银河系内恒星形成的速率,要想明确这一项,必须掌握原子氢转化为分子氢的速度。

  这项研究完成的正是这一步骤的测量。“我们在前人研究的基础上发展了新方法,测量在银河系的尺度上原子氢到分子氢演化的速率。”论文作者、中科院国家天文台研究员李菂表示,这项工作从2003年开始,直到最近才第一次找到显示分子暗云正在形成的明确迹象。正在形成的分子暗云的年龄大概600万年,但在银河系的尺度上还是一个“婴儿”。他们发展了一种观测方法,并命名为中性氢窄线自吸收(HI Narrow Self-Absorption,HINSA)。HINSA方法通过分离氢原子HI的吸收成分,直接测量分子云中的氢原子柱密度,并基于此进一步分析得到分子氢气形成速率及分子云的化学年龄。

  李菂进一步解释了这项观测的科学意义:宇宙中最多的物质是原子氢,宇宙爆炸后,随着能量密度下降,能量变成物质,其主要形态是氢原子。宇宙中氢原子的质量超过所有肉眼可见的恒星及其组成的星系的总和。按照宇宙演化的历程,从氢原子到新的恒星,原子到分子的转化过程是必经的。研究出氢原子到氢分子的转化快慢,才能整体上约束银河系恒星形成的速率,进而判断银河系存在生命的概率。

  FAST科学计划的重要内容

  这项成果综合利用了阿雷西博300米射电望远镜,美国FCRAO望远镜,以及赫歇尔空间红外望远镜。它展示了射电波段HINSA观测方法的重要功能,也为FAST科学规划提供了观测依据。

  据李菂介绍,今年九月即将通过验收的FAST射电望远镜的相关科学能力更强、深度更深、覆盖银河系更全面,在FAST的两项“巡天”计划中,都有关于HINSA的研究内容。“FAST开展的高灵敏中性氢巡天,能够大规模测量银河系内的HINSA特征,为理解星际介质演化提供系统的观测基础。”他说。

  “这次发现,说明这一现象是存在的,研究原理是可行的。将来我们希望能够全面揭示银河系内暗云‘婴儿’的数量,系统测量原子向分子转化的时间尺度及速度。”李菂还透露,以FAST观测数据为基础的首篇研究文章也已经完成,预计发表在《天文和天体物理学研究》杂志上。(崔 爽)

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