中国天文学家建立最大规模热核天体样本库

星际中复杂有机分子与恒星形成、生命起源等重大问题息息相关。 因此，开展宇宙复杂有机分子研究，对于含有大量有机分子的热核进行观测，是研究天体化学、大质量恒星形成及宇宙生命起源的基础。

由中国科学院上海天文台研究员刘铁牵头的大质量恒星形成区3毫米观测项目，通过分析阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波阵列射电望远镜（Atacama Large Millimeter Array – ALMA Radio Telescope）的观测数据，对100多个热核候选天体进行证认， 建立国际最大的高分辨率热核样本库，为开展大质量恒星形成与分子天体化学研究提供了绝佳样本源，他们首次系统发现热核中普遍存在的氮氧分离现象，为研究地球碳亏损问题提供了大量样本。

构成生命体的复杂有机分子早在太阳诞生之前就存在于宇宙中，但人们对产生机制一直不明确，要弄清这一机制，必须有足够大的观测样本。

在大质量恒星形成过程中，分子云坍缩形成致密云核和大质量原恒星，重力势能转化的热能，或大质量原恒星的辐射加热周围星际物质就形成热核。 热核是具有丰富有机分子辐射的分子云核，具有高温气体和致密结构特征。 天文学家认为，热核是大质量恒星形成的中间阶段，能显示大质量原恒星最直接的物理和化学环境变化踪迹。

刘铁指出， 目前在星际空间中探测到的有机分子，绝大部分处在热核中。 因此，热核堪称高效的宇宙化工厂。 由于星际空间中复杂有机分子与生命前化学息息相关，因此开展宇宙复杂有机分子研究可以增进人们对天体化学理解的认识，进而对大质量恒星形成、宇宙生命起源研究提供有力支撑。

该项目组利用世界上最先进的阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波阵列射电望远镜，对距地球几百秒差距（Parsec，1 秒差距大约等于3.2光年）至上千秒差距范围的天体进行系统普查，对146个大质量恒星形成区进行系统的热核搜寻和证认，并从里面挑出100多个候选体，这是国际上首次对热核的大样本、 高分辨率研究。

刘铁说：「我们通过对高达2TB数据的分析处理，得到近500GB的压缩数据，建立了目前国际上最大的热核样本库。」

以往天文学家对热核的研究多采用大量单独天线观测数据。 由于单独天线观测的波束稀释效应，观测无法分辨分子云中的热核。 刘铁表示，单独天线观测就像用一台像素极低的相机从空中对一座化工厂拍照，只能拍到模糊的影像，无法分辨工厂内部建筑细节及生产经营状况，因此，仅通过单天线观测不能得到准确的热核物理化学性质。

以往干涉阵射电望远镜观测主要针对个别热核天体，天文学家对每个天体、每次观测都定制不同的空间分辨率和谱线设置，因此，很难通过以往的研究方式和数据得出具有统计意义的比较研究结果。

为了解决上述问题，该项目组成员、云南大学秦胜利教授带领的团队对热核候选体进行模型计算，重点考察其中三种复杂有机分子：含氮有机分子乙基氰、含氧有机分子甲酸甲酯和甲醇。

秦胜利指出，这些复杂有机分子谱线通常在比较高的密度和温度条件下才激发，此前它们主要在热核中探测到，是常用的热核分子探针。 这项工作中，我们证认了60个热核（其余热核候选体有待进一步确认），其中有45个是本次新发现的热核。

在对这60个热核化学性质的进一步研究，他们分析热核和电离氢区的相对位置，发现这些热核的加热源各不相同。

秦胜利解释：” 60个热核中，有36个周围没有电离氢区，加热源来自内部，属于内部加热。 其余24个紧临电离氢区，是外部加热的热核，属于外部加热。 该研究发现接近40%的热核属于外部加热，这对大质量恒星形成演化序列提出挑战，显示热核也许不是大质量恒星形成的直接前身。」

研究还发现，外部加热生产乙基氰的效率要明显高于内部加热。 即外部加热的云核中乙基氰含量更高，而外部加热与内部加热生产甲酸甲酯的效率并没显著异同，其原因有待进一步研究。

凭借阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波阵列射电望远镜的超高位置精度，该研究发现60个热核中，29个有明显的氮氧分离现象，即含氧有机分子与含氮有机分子的空间分布不同。 而此项工作之前，天文学家仅发现不到5个存在氮氧空间分离的热核。

秦胜利说： “研究首次系统地发现热核中普遍存在的氮氧分离现象，这为开展地球碳亏损（Earth carbon deficit）研究提供依据。」

地球碳亏损现象一直是个未解之谜，研究发现地球上的碳元素丰度比星际尘埃或彗星低近4个数量级，科学家认为起因可追溯至行星和恒星形成过程。

秦胜利认为，在恒星形成过程中，冰相氮氧有机分子会在不同温度下蒸发和破坏，导致氮氧分离，此过程间接导致碳在不同区域具有不同程度的损耗。 因此，热核中观测到的氮氧分离现象有可能解释地球的碳亏损问题。

刘铁展表示，平方公里阵列射电望远镜（Square Kilometer Array）是中国参与的最大的国际天文大科学装置。 研究星际有机分子产生机制并探究宇宙生命起源是平方公里阵列射电望远镜的主要科学目标之一。 今次发现的这些热核是未来平方公里阵列射电望远镜观测的重要目标源。 目前，大质量恒星形成区3毫米观测项目组正利用高质量数据，从统计学角度深入研究大质量恒星形成，特别关注大质量原恒星的吸积及反馈过程。

【图：中国科学院上海天文台;文：节录自科学网页;新闻资讯由林景明提供】研究全文将，刊登在2022年1月29日出版的英国《皇家天文学会月报》 ;标题是：ATOMS： ALMA Three-millimeter Observations of Massive Star-forming regions – VIII. A search for hot cores by using C2H5CN, CH3OCHO, and CH3OH lines

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