近日，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)副研究員呂行與云南大學(xué)、美國(guó)哈佛-史密森天體物理中心、德國(guó)馬克斯普朗克研究所科研人員合作，利用阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡（ALMA）的高分辨率觀測(cè)數(shù)據(jù)，在銀河系中心方向發(fā)現(xiàn)了一個(gè)被周圍天體近距離掠過(guò)、從而產(chǎn)生旋臂結(jié)構(gòu)的大質(zhì)量新生恒星吸積盤。該發(fā)現(xiàn)證明了大質(zhì)量恒星與小質(zhì)量恒星的形成過(guò)程相類似，二者都會(huì)經(jīng)歷吸積盤和飛掠等過(guò)程。該成果于5月30日發(fā)表在《自然-天文》上。

在恒星形成過(guò)程中，環(huán)繞著新生恒星的周圍會(huì)產(chǎn)生吸積盤，也稱“原恒星盤”，是恒星形成過(guò)程中的關(guān)鍵一環(huán)。新生恒星通過(guò)吸積盤持續(xù)從環(huán)境中聚集氣體，逐漸長(zhǎng)大。因此，吸積盤是恒星誕生和成長(zhǎng)的搖籃。對(duì)于類似太陽(yáng)的小質(zhì)量恒星吸積盤的研究已有數(shù)十年歷史，觀測(cè)和理論結(jié)果都較豐富，然而對(duì)于更大質(zhì)量的恒星，尤其是30倍太陽(yáng)質(zhì)量以上的早型O型星，尚不清楚其形成過(guò)程中是否也存在吸積盤。更大質(zhì)量的早期恒星遠(yuǎn)比太陽(yáng)明亮，光度可達(dá)太陽(yáng)的數(shù)十萬(wàn)倍，可劇烈影響整個(gè)星系環(huán)境。因此，理解大質(zhì)量恒星的形成過(guò)程具有重要意義。

銀河系的中心距離地球約2.6萬(wàn)光年，是獨(dú)特而重要的恒星形成區(qū)域。銀河系存在超大質(zhì)量黑洞Sgr A*，也有數(shù)千萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星形成原材料——稠密的氫分子氣體。氫分子氣體一旦在自引力作用下坍縮，將開(kāi)始形成恒星。銀河系中心有特殊的環(huán)境，如強(qiáng)湍流、強(qiáng)磁場(chǎng)和Sgr A*的潮汐作用等，這些因素會(huì)劇烈影響恒星形成活動(dòng)。因此，銀河系中心區(qū)域的恒星形成過(guò)程可能與太陽(yáng)系周邊的造星過(guò)程不同。然而，由于銀河系中心區(qū)域距離地球太遠(yuǎn)，且銀河系中心和太陽(yáng)系之間有復(fù)雜的前景氣體遮擋，因此對(duì)銀河系中心恒星形成區(qū)域的直接觀測(cè)十分困難，而只有極高的分辨率和靈敏度的望遠(yuǎn)鏡才能觀測(cè)并研究恒星形成的細(xì)節(jié)。

呂行牽頭的科研團(tuán)隊(duì)利用位于南美洲智利的ALMA干涉陣對(duì)銀河系中心區(qū)域開(kāi)展了長(zhǎng)基線觀測(cè)，分辨率約40毫角秒。借助這一高分辨率、高靈敏度觀測(cè)，研究人員在銀河系中心附近區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一個(gè)直徑約4000天文單位的吸積盤正圍繞著一顆32倍太陽(yáng)質(zhì)量的早型O型星轉(zhuǎn)動(dòng)。這是目前發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量最大的有吸積盤的原恒星之一，也是首次對(duì)銀河系中心原恒星盤的直接成像。該發(fā)現(xiàn)表明，大質(zhì)量早型O型星的形成過(guò)程中確有吸積盤參與，且該結(jié)論在銀河系中心的特殊環(huán)境下依然成立。

該吸積盤有一對(duì)明顯的旋臂結(jié)構(gòu)。這種旋臂結(jié)構(gòu)在星系盤中常見(jiàn)，但在原恒星盤中較為罕見(jiàn)。一般認(rèn)為，這種旋臂結(jié)構(gòu)是吸積盤自身引力不穩(wěn)定從而碎裂導(dǎo)致的，但該研究發(fā)現(xiàn)，該吸積盤中氣體溫度較高、湍流較強(qiáng)，足以維持吸積盤自身的穩(wěn)定性。因此，研究人員認(rèn)為旋臂是受到外部擾動(dòng)產(chǎn)生的。在吸積盤周圍幾千天文單位處，研究人員發(fā)現(xiàn)了一3倍太陽(yáng)質(zhì)量的天體，可能是外部擾動(dòng)的來(lái)源。為了驗(yàn)證該猜想，研究人員利用解析計(jì)算，檢查了該天體幾十種可能的歷史軌跡，發(fā)現(xiàn)只有在一種軌跡下它才可以擾動(dòng)吸積盤。隨后，在上海天文臺(tái)的高性能超級(jí)計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，研究人員利用數(shù)值模擬追蹤了這一軌跡，重現(xiàn)了該天體在一萬(wàn)多年前掠過(guò)吸積盤，并在吸積盤中攪出旋臂結(jié)構(gòu)的完整過(guò)程（圖1）。最終，解析計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果均與觀測(cè)結(jié)果完全對(duì)應(yīng)，說(shuō)明該吸積盤中的旋臂可能是周圍天體造訪過(guò)程留下的遺跡。

研究表明，在恒星形成的早期階段，吸積盤演化會(huì)頻繁受到飛掠作用這類動(dòng)力學(xué)過(guò)程的影響，從而顯著影響恒星和行星的形成。因此，研究吸積盤演化不能將其作為孤立系統(tǒng)看待，應(yīng)考慮動(dòng)力學(xué)作用。對(duì)于更大質(zhì)量的恒星，尤其在銀河系中心這樣高恒星密度的環(huán)境中，此類飛掠作用可能十分頻繁。

圖1.從左下開(kāi)始的三幅圖來(lái)自數(shù)值模擬，分別是飛掠剛發(fā)生、發(fā)生后4000年、發(fā)生后8000年的狀態(tài)。右上帶有旋臂的吸積盤以及旁邊的兩個(gè)天體來(lái)自實(shí)際的ALMA觀測(cè)，對(duì)應(yīng)飛掠發(fā)生后12000年的狀態(tài)

圖2.數(shù)值模擬中，外部天體（紅點(diǎn)）飛過(guò)吸積盤，攪動(dòng)出旋臂的過(guò)程。顏色的明暗代表吸積盤上的氣體面密度

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)