科学家对银河中心恒星形成区域感到困惑，丰沛物质为何难产巨星

银河系中心区域拥有整个星系中最密集的气体和尘埃储备,按照传统天文学理论,这里应该是大质量恒星的温床。然而,SETI研究所和加州理工学院领导的最新研究却揭示了一个令人困惑的现象:尽管物质充裕,这个极端环境中的恒星形成速度却异常缓慢,产生的大质量恒星无论在数量还是质量上都明显逊色于银河系其他区域。这项发表在《天体物理学杂志》上的研究基于NASA已退役的SOFIA平流层红外天文台的观测数据,重新审视了人马座B1、B2和C三个活跃恒星形成区,挑战了天文学界对巨型电离氢区域性质的传统认知。

SOFIA的红外透视揭示反常现象

研究团队利用SOFIA机载天文台的高分辨率红外成像能力,穿透了笼罩银河系中心的厚重尘埃幕墙。在长红外波段,这些通常完全不可见的恒星诞生区域首次以前所未有的清晰度呈现在天文学家眼前。SOFIA的独特优势在于其飞行高度——搭载在改装波音747客机上,在12至14千米的高空飞行,避开了地球大气层中99%的水蒸气干扰,这些水蒸气会严重吸收红外辐射。

通过对人马座B1、B2和C区域的系统观测,研究团队识别出60多颗正在形成中的大质量恒星。这些恒星的质量超过太阳8倍,正处于演化的早期阶段,仍深埋在它们诞生的分子云核心中。在长红外波长下,这些原恒星因周围的尘埃加热而发出明亮光芒,成为探测当前恒星形成活动的理想标志。

然而,当SETI研究所的詹姆斯·德布泽博士和加州理工学院IPAC的王吉·林博士将这些数据与银河系其他区域进行系统比较时,异常现象立即浮现。他们选取了距离银河系中心较远的若干恒星形成区作为对照样本,包括一些位于太阳附近相对平静区域的星云。对照分析显示,尽管银河系中心区域的气体密度是外围区域的数十倍甚至上百倍,但大质量恒星的形成效率却显著偏低。

德布泽解释道:"最近一些研究甚至得出结论,认为银河系中心附近的恒星形成可能完全受到抑制,那里可能根本没有正在进行的恒星诞生活动。我们获取了银河系最核心恒星形成区域的最高分辨率红外图像,数据明确显示大质量恒星确实在那里形成,但速度相对缓慢得令人费解。"

美国宇航局 SOFIA 天文台的新红外观测显示，银河系中心附近的大质量恒星形成速度令人费解。图片来源：股票

具体数据更加凸显了这种反差。在人马座B1和C区域,研究团队发现形成中的大质量恒星数量比预期少得多,而且这些恒星的平均质量也明显偏小。在同等规模的分子云中,银河系外围区域通常能孕育出质量达到太阳50至100倍的超大质量恒星,但在银河系中心观测到的最大质量恒星仅达到太阳质量的20至30倍。这种差异不能简单归因于观测偏差或统计涨落,而是指向了某种系统性的物理机制在压制恒星形成过程。

极端环境的双重压制

银河系中心是一个物理条件极为极端的宇宙实验室。距离银河系核心黑洞人马座A*仅约300光年——相比之下,我们的太阳距离中心约26000光年——这些恒星形成区经历着外围区域难以想象的环境压力。研究团队认为,正是这些极端条件的组合抑制了高效的恒星形成。

银河系银河系中心区域的详细红外视图。这些红外图像对目前在那里形成的大质量恒星以及围绕我们银河系中心的超大质量黑洞（以红星符号标记）运行的凉爽区域的尘埃和气体区域很敏感。我们的太阳距离我们的银河系中心 26,000 光年，但 Sgr B1、B2 和 C 绕银河系中心运行的距离仅约为 300 光年。图片来源：这些图像是根据平流层红外天文学天文台 （SOFIA）、斯皮策太空望远镜和赫歇尔太空天文台的数据制作的。图片来源：J. De Buizer （SETI） / SOFIA / Spitzer / Herschel。

首要因素是高速轨道运动。人马座B1、B2和C围绕超大质量黑洞的运行速度达到每秒数百公里,远超银河系外围天体的轨道速度。这种快速运动意味着分子云不断经历强烈的潮汐力和剪切力,很难在足够长的时间尺度上保持引力束缚状态。恒星形成需要气体云在自身引力作用下持续坍缩数百万年,但在银河系中心,外部扰动可能在这个过程完成之前就撕裂了云团。

第二个因素涉及与老年恒星群的相互作用。银河系中心聚集了大量已经演化到晚期的恒星,它们产生强烈的辐射场和高速恒星风。当恒星形成区穿越这些老年星团时,外部辐射会加热分子云的表面层,增加气体的热压力,对抗引力坍缩。恒星风则可能直接吹散正在聚集的物质,终止恒星的成长过程。观测数据显示,人马座B1和C的部分边缘区域确实表现出被外部辐射剥蚀的特征。

第三个可能的机制与落向黑洞的物质流有关。虽然人马座A*目前处于相对平静的状态,但仍有稀薄的气体和偶尔的物质团块向内落入。这些内流物质可能与外围的恒星形成区发生碰撞,产生激波和湍流,进一步扰乱原本有序的引力坍缩过程。此外,黑洞周围可能存在的大尺度磁场也可能对带电气体产生约束作用,改变物质的动力学行为。

林博士指出:"这些银河系中心区域在很多方面与我们银河系相对平静区域的大质量恒星形成场所非常相似——它们拥有类似的分子云结构、相当的密度和质量。然而,我们在这些中心区域发现的最大质量恒星,尽管仍然相当巨大,但在规模和数量上都不及银河系其他地方类似区域的恒星。"

人马座B2的特殊地位

在这三个研究对象中,人马座B2呈现出与众不同的特征,可能代表了一种过渡状态或特殊环境。尽管它当前的大质量恒星形成速率同样异常偏低,但观测数据显示该区域仍然保有大量致密的分子气体储备。这些物质尚未耗尽,理论上足以支持未来数百万年的持续恒星形成活动。

通过分析不同波长的观测数据,研究团队绘制了人马座B2的三维结构图。结果显示,该区域包含多个质量超过太阳数万倍的致密分子云核,这些云核正处于引力不稳定的边缘。与人马座B1和C不同,B2似乎具有某种程度的自屏蔽能力,其内部的致密核心受到外围物质的保护,免受部分外部干扰的影响。

这一发现引发了关于恒星形成时间尺度的新问题。传统理论认为,像人马座B2这样规模的巨型分子云会在数百万年内持续产生多代恒星,每一代新星的强烈辐射和恒星风会触发周围气体的进一步坍缩,形成正反馈循环。但在银河系中心的极端环境中,这个周期可能被打破或显著延长。人马座B2可能正处于第一代恒星形成的初期阶段,而外部条件可能阻止后续世代的诞生。

另一种解释是,人马座B2相对较新地进入了银河系中心区域,尚未经历足够长时间的环境压力。通过测量其径向速度和轨道参数,天文学家可以追溯该云团的运动历史。初步分析暗示,B2可能在过去数百万年内才从更外围的区域迁移到当前位置,这解释了为什么它保留了更多的原始气体储备,而B1和C可能已经在中心环境中滞留了更长时间,大部分物质已经被消耗或剥离。

重新定义巨型电离氢区域

这项研究的另一个重要贡献在于促使天文学界重新审视巨型H II区域的分类标准。传统上,天文学家将H II区域定义为被内部大质量恒星的紫外辐射电离的气体云。这些区域的光谱特征主要来自氢原子从激发态跃迁回基态时发出的特征线辐射。经典理论假设,所有巨型H II区域都托举着仍嵌在气体尘埃中的年轻大质量星团。

然而,人马座B1和C的详细观测挑战了这一普适性假设。尽管这两个区域表现出典型的H II区域光谱特征,但内部恒星的数量和质量都显著低于预期。更令人困惑的是,它们似乎缺乏维持长期恒星形成所需的致密气体储备。这意味着它们可能只经历单次恒星诞生事件,产生一代恒星后就耗尽物质,不再有后续的恒星形成活动。

这种"单代"H II区域在银河系外围极为罕见,那里的大型恒星形成区通常展现出复杂的多代结构。例如,著名的猎户座星云和鹰状星云都包含不同年龄的恒星族群,证明恒星形成在数百万年的时间跨度内持续进行。如果人马座B1和C确实代表了一种新类别的恒星形成区,这将要求修订现有的H II区域分类体系,增加基于环境条件和演化潜力的新维度。

研究团队建议,未来的观测应该扩展到银河系中心更广泛的区域,系统调查不同距离和轨道参数的恒星形成区,以确定恒星形成压制的空间范围和环境依赖性。詹姆斯·韦布空间望远镜的中红外观测能力,结合地面大型射电望远镜阵列对分子气体的高分辨率成像,将提供关键的后续数据。

这些发现不仅改变了我们对银河系中心的认识,也为理解其他星系的核区提供了参考框架。许多外部星系的中心同样表现出恒星形成效率偏低的现象,被称为"恒星形成抑制"。人马座B1、B2和C的详细研究为这种宇宙学尺度的现象提供了可能的物理机制解释,揭示了超大质量黑洞及其周围极端环境如何塑造星系演化的最核心区域。