涡状星系M51的恒星诞生地

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原作者：Prof. Dr. Frank Bigiel

翻译：胡敏

校译：周奕宏

编排：王招君

后台：李子琦

原文链接：https://www.uni-bonn.de/en/news/243-2023

研究学者首次绘制出了附近星系中恒星摇篮的稠密寒冷气体聚集区域。

马克斯·普朗克天文研究所(MPIA)和波恩大学率领的国际团队以前所未有的精确度绘制出了我们邻近星系中孕育恒星的寒冷稠密气体聚集区。凭借于此，研究者也可以实现首次对河外星系的恒星形成区域早期气体环境的深入研究。他们的发现已经发表在《天文学与天体物理学》（A&A）杂志上。

涡状星系M51的N2H+分子辐射分布示意图（此图借助假彩色技术，即用与原始图像不同的颜色来描绘对象，为强调或更好地理解数据的某些特性）——浅红色区域代表亮气体星云，里面孕育着温度高、质量大的恒星，遍布旋臂的黑暗气尘区

图源：© Graphic: Thomas Müller (HdA/MPIA), S. Stuber et al. (MPIA), NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) und das Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

自相矛盾的是，热星（温度较高、发出强烈热辐射的恒星）通常形成于宇宙最寒冷的地方，特别是散布在整个星系厚厚的气体尘埃团中。“在恒星形成的早期，气体不断凝聚，直至恒星诞生，要想研究恒星形成的早期阶段，必须首先找到这样的位置。”索菲亚·斯图伯这样说道。她是海德堡MPIA的博士生，也是已发论文的第一作者。“恒星形成的地方极冷且气体密度大，富含几种分子，我们的典型做法是测量这些分子的辐射。”HCN和N2H+就是被经常用来研究天体化学的探针分子。

使用分子作为化学探针

之前，相关测量只能在银河系展开，现在，研究者可以在河外星系进行大范围的测量，这归功于大型观测项目SWAN(Surveying the Whirlpool at Arcseconds with NOEMA)的开展。SWAN项目主要研究涡状星系M51中央到周围两千多光年之间的多种分子辐射分布，使用的工具是NOEMA，即北半球扩展毫米波阵列，是一个位于法国阿尔卑斯山的无线电干涉仪，这个工具提供了214小时的观测记录，另外，该项目还采用西班牙南部30m口径单天线望远镜70个小时的观测结果作为补充。

SWAN项目的一位负责人是德国波恩大学阿格兰德天文研究所的弗兰克·比吉尔教授，他是这样说的，“根据不同分子的谱线信息，可以明确该种气体的一些物理性质，比如密度。这也为进一步探究星系中促进恒星形成的星际介质环境提供了支持。这也是首次用这样的方式研究星系，而且是史无前例的精细，甚至可以辨别出不同的恒星形成区域。”

气体特性与环境有关

在研究中，研究者探究了两种分子——HCN和N2H+。涡状星系M51离我们仅有2800万光年远，所以研究不同区域的气体云特性是有可能的，诸如中心或者旋臂。“鉴于此，我们探究这两种气体在稠密云中的分布，看它们是否分布在相同的位置”斯图伯解释道。

虽然HCN和N2H+的辐射强度升降在旋臂区相同，因此可以得出一致的气体密度，但是天文学家发现这两种气体在M51中心区域具有很大的差异，其中一点是，HCN发出的亮度增加得比N2H+明显得多。换言之，可能存在一种机制，让HCN而不是N2H+发的光更亮。研究团队认为发光更亮可能与M51的活动星系核有关。活动星系核是星系中央大黑洞的周围高能量区域，在HCN被吸进黑洞之前，先是受力被撕拉成圆盘状，然后速度急剧上升，因为摩擦作用，温度会升高至几千多度，最后导致强辐射，这也可以解释为什么HCN会有额外的辐射。“但是还需要进一步探究为什么这两种气体会有不同的表现”，MPIA研究团队总负责人以及SWAN项目负责人伊娃·辛纳勒这样说道。

一个巨大的挑战

至少就涡状星系M51中心区域而言，和HCN相比，N2H+也许更适合做“密度探针”。但是不足之处是，在同样的气体密度条件下，N2H+的辐射强度比HCN低了五倍，也就是说，需要在数据分析上投入更多的时间和精力。想要有精确度高的数据，还需要更长的观测时间。

波恩大学跨学科物质领域研究成员比吉尔教授做了总结并提出了展望：“这些研究让我们离回答‘恒星是怎样形成的’这个最基本的问题更进一步。我们现在可以根据恒星活动的观测记录整合出相关数据，进而描绘出大致的情况。”慢慢地，我们也许就可以给出恒星形成所需要的气体密度具体数值，以及回答追踪星系气体最合适的探针或者分子到底是什么。

责任编辑：杨欣冉

牧夫新媒体编辑部

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来源：NASA

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