“調研”宇宙“化工廠”

星際空間中復雜有機分子與恒星形成、生命起源等重大問題息息相關。因此，開展宇宙復雜有機分子研究，對富含有機分子的熱核進行觀測，是研究天體化學、大質量恒星形成及宇宙生命起源的基礎。

近日，由中科院上海天文臺研究員劉鐵牽頭的“大質量恒星形成區3毫米觀測（ATOMS）”項目組，通過分析阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波天線陣（ALMA）的觀測數據，對100多個熱核候選體中進行證認，構建出國際最大的高分辨率熱核樣本庫，為開展大質量恒星形成與分子天體化學研究提供了絕佳樣本源，他們首次系統發現熱核中普遍存在的氮氧分離現象，為研究地球“碳虧損”問題提供了大量樣本。相關研究已在《英國皇家天文學會月刊》上發表。

典型內部加熱熱核(左圖)與外部加熱熱核      受訪者供圖

遙遠的宇宙“化工廠”

“構成生命體的復雜有機分子早在太陽誕生之前就存在于宇宙中，但人們對其產生機制一直不明確，要弄清這一機制，必須有足夠大的觀測樣本。”劉鐵告訴《中國科學報》。

在大質量恒星形成過程中，分子云坍縮形成了致密云核和大質量原恒星，引力勢能轉化的熱能，或大質量原恒星的輻射加熱周圍星際物質就形成“熱核”。熱核是具有豐富有機分子輻射的分子云核，具有高溫氣體和致密結構特征。天文學家認為，熱核是大質量恒星形成的中間階段，能顯示大質量原恒星最直接的物理和化學環境變化“蹤跡”。

“目前在星際空間中探測到的有機分子，絕大部分處在熱核中。因此，熱核堪稱高效的宇宙‘化工廠’。”劉鐵說，“由于星際空間中復雜有機分子與生命前化學息息相關，因此開展宇宙復雜有機分子研究可以增進人們對天體化學理解的認識，進而對大質量恒星形成、宇宙生命起源研究提供有力支撐。”

該項目組利用世界上最先進的ALMA，對距地球幾百Parsec（秒差距，1Parsec約3.2光年)至上千Parsec范圍的天體進行了系統“普查”，對146個大質量恒星形成區進行了系統的熱核搜尋和證認，并從里面挑出100多個候選體，這是國際上首次對熱核的大樣本、高分辨率研究。

“我們通過對2TB海量數據的分析處理，得到近500GB的壓縮數據，構建了目前國際上最大的熱核樣本庫。”劉鐵說。

該論文審稿人認為：（這項工作）基于大量觀測數據，標記并分析了熱核間的相互關系、在宇宙化學背景研究方面做了扎實的分析，對進一步澄清宇宙生命起源十分重要。

“內資”“外資”有別

以往，天文學家對熱核的研究多采用大量單天線觀測數據。由于單天線觀測的波束稀釋效應，這種觀測無法分辨分子云中的熱核。

“單天線觀測就像用一臺像素極低的相機從空中對一座化工廠拍照，只能拍到模糊的影像，無法分辨工廠內部建筑細節及生產經營狀況。”劉鐵說，“因此，僅通過單天線觀測不能得到準確的熱核物理化學性質。”

此外，以往干涉陣觀測主要針對個別熱核天體，科學家對每個天體、每次觀測都“定制”了不同的空間分辨率和譜線設置，因此，很難通過以往的研究方式和數據得出具有統計意義的比較研究結果。

為解決上述問題，該項目組成員、云南大學教授秦勝利帶領的團隊對熱核候選體進行了模型計算，重點考察了其中三種復雜有機分子：含氮有機分子乙基氰、含氧有機分子甲酸甲酯和甲醇。

“這些復雜有機分子譜線通常在比較高的密度和溫度條件下才被激發，此前它們主要在熱核中被探測到，是常用的熱核分子探針。”秦勝利告訴《中國科學報》，“這項工作中，我們證認了60個熱核（其余熱核候選體有待進一步確認），其中有45個是本次新發現的熱核。”

在對這60個熱核化學性質的進一步研究中，他們分析了熱核和電離氫區的相對位置，發現這些熱核的加熱源各不相同。

“60個熱核中，有36個周圍沒有電離氫區，加熱源來自內部，屬于‘內資工廠’。其余24個緊臨電離氫區，是外部加熱的熱核，屬于‘外資工廠’。”秦勝利解釋說，“該研究發現接近40%的熱核屬于外部加熱，這對大質量恒星形成演化序列提出了挑戰，表明熱核也許不是大質量恒星形成的直接前身。”

此外，該研究還發現，“外資工廠”生產乙基氰的效率要明顯高于“內資工廠”。即外部加熱的云核中乙基氰含量更高，而“外資工廠”與“內資工廠”生產甲酸甲酯的效率并沒顯著異同，其原因有待進一步研究。

“生產車間不同”

憑借ALMA的超高位置精度，該研究發現60個熱核中，29個有明顯的氮氧分離現象，即含氧有機分子與含氮有機分子的空間分布不同。而此項工作之前，科學家僅發現不到5個存在氮氧空間分離的熱核。

“該研究首次系統地發現熱核中普遍存在的氮氧分離現象，這為開展地球‘碳虧損’研究提供了依據。”秦勝利說。

地球“碳虧損”現象一直是個未解之謎，研究發現地球上的碳元素豐度比星際塵埃或彗星低近4個數量級，科學家認為其起因可追溯至行星和恒星形成過程。

秦勝利認為，在恒星形成過程中，冰相氮氧有機分子會在不同溫度下蒸發和破壞，導致氮氧空間分離，此過程間接導致碳在不同區域具有不同程度的損耗。因此，熱核中觀測到的氮氧分離現象有可能解釋地球的“碳虧損”問題。

“平方公里陣列望遠鏡（SKA）是我國參與的最大的國際天文大科學裝置。研究星際有機分子產生機制并探究宇宙生命起源是SKA的主要科學目標之一。”劉鐵展望道，“本次發現的這些熱核是未來SKA觀測的重要目標源。目前，ATOMS項目組正利用高質量數據，從統計學角度深入研究大質量恒星形成，特別關注大質量原恒星的吸積及反饋過程。”

相關論文信息：https://doi.org/10.1093/mnras/stac219