射电望远镜助科学家绘太空分子图探索恒星形成

射电望远镜助力探索太空分子与恒星形成奥秘

天体化学 恒星形成 射电天文学

阿尔玛，位于智利阿塔卡马沙漠的一台强大射电望远镜。J。F。萨尔加多（欧洲南方天文台），CCBY

你可能听过我们由星尘构成这句话。天文学家卡尔萨根的这一说法指的是，比氢和氦更重的元素是在最初的恒星中心形成的。但这些星尘是如何演变成岩石、植物和人类的化学组成的呢？

作为一名天体化学家和射电天文学家，我将宇宙中恒星诞生的地方当作星际实验室来研究。我感兴趣的是简单的成分如何组合形成越来越大的分子，包括那些构成生命的基石。我做这项研究的一种方法是绘制太空中的分子分布图，并找出它们的丰度与周围环境条件之间的模式。

分子分布

温度测量

数据分析

研究方法

天文学家们几十年来一直在绘制星际空间中分子的分布图谱。通过这些图谱，天文学家通常会描述各个区域内分子的丰度、温度以及它们的运动速度。

随着时间的推移，技术和方法不断改进，如今科学家能够以更精确的尺度绘制这些指标。我和我的研究团队最近将这些新方法得出的结果与之前的地图进行了对比，以确保早期地图与我们的新地图一致。

⭐ 一个你无法参观的实验室

星星形成于分子云：由气体和尘埃组成的团块，它们就像宇宙的托儿所。这些托儿所最初的温度极低，约为零下442华氏度（零下263摄氏度）。其中的物质也非常分散，密度约为每立方厘米100个分子。相比之下，你此刻呼吸的空气每立方厘米大约有10¹⁹个分子——也就是10千万亿个分子。

当婴儿恒星形成时，温度会上升到零下279华氏度至零下100华氏度之间（即零下173摄氏度至零下73摄氏度之间），密度会增加到每立方厘米1000万个分子或更多。

在这些条件下，宇宙中最基本的化学反应会发生。不幸的是，这些星际实验室距离太远，科学家无法前往探访。

猎户座星云，由哈勃太空望远镜在可见光下拍摄。美国国家航空航天局（NASA）、欧洲空间局（ESA）、M罗伯托（太空望远镜科学研究所ESA）以及哈勃太空望远镜猎户座宝库项目团队

距离的挑战

尽管猎户座KL是距离地球最近的大质量恒星形成区，但它距离太阳系仍有约1300光年。除非我能搭《星际迷航》中的企业号星舰，以曲速9——也就是光速的729倍——前往猎户座KL，那样大约需要两年时间到达，否则我根本无法亲自访问这片星云并采集样本以研究其化学组成。

即使我能在以曲速飞行，也无法实时观察猎户座KL区域的化学变化。恒星——以及伴随它们的分子——的形成需要数十万年甚至数百万年的时间。

使用射电望远镜

天文学家可以利用射电望远镜将分子的分布与温度、密度等天体物理特征相匹配。这一过程提供了宇宙历史上某个特定时期条件的快照，使天体化学家能够研究发生在宇宙遥远区域的化学过程。

无线电波

分子云会发射无线电波，这使得天文学家能够观测星际空间冷化学的特征。

分子在空间中旋转和翻滚时释放的光子（即光粒子）具有该分子特有的频率。通过这种方式，不同频率的无线电信号集合——称为光谱——就像是一种分子指纹。不同信号的相对强度取决于星云中有多少该分子以及它的温度。这意味着可以通过比较分子的无线电信号来计算这些数值。

单碟望远镜

直径可达1640英尺（500米），但观测精度有限

干涉仪

阵列协同工作，获得更高分辨率

ALMA望远镜

66座天线

10英里跨度

16公里

我使用的射电干涉仪是阿塔卡马大型毫米波亚毫米波阵列（ALMA），它位于智利北部，海拔约16000英尺（4877米）。ALMA由66座天线组成，其中50座可在沙漠中移动，使望远镜的跨度达到10英里（16公里）宽。在其最扩展的配置下，ALMA能够观测到猎户座KL中仅几天文单位大小的结构。

绘制星际分子图谱

ALMA数据立方体的可视化表示。每个坐标对（左侧面）处的像素具有一个无线电频谱（长矩形）。频谱中的峰值代表不同的分子特征。OH威尔金斯，作者提供（不得重复使用）

在我的工作中，我绘制不同分子的丰度和温度分布图，以了解天文学家无法直接观测到的现象。我利用射电望远镜的数据来判断猎户座KL的不同区域是被内部热源加热——比如被一颗仍在形成中的年轻恒星，还是被外部热源加热——比如被来自更成熟恒星的冲击波。我通过将分子用作一种远程温度计来实现这一点。

甲醇研究

在其他研究中，我绘制了不同类型甲醇的分布图——甲醇是一种对星际化学演化至关重要的分子——以研究星云某些区域为何会存在比根据其温度预期更多的某种甲醇。这种甲醇异常现象表明，星云某处可能存在一颗被遮挡而无法观测到的新生恒星。

科学发现甲醇异常 → 新生恒星

✅ 质量保证

我和一组本科生重新开展了甲醇研究，尝试用ALMA观测的新数据集复现过去的结果。我想确认猎户座KL区域的甲醇分布图是否一致，即使它们来自不同的数据集。

一张基于ALMA数据绘制的猎户座KL区域某类重甲醇分布图。等高线显示了星云中尘埃粒子的射电辐射，彩色图则以柱密度（即二维区域内的分子数量）展示了甲醇的丰度。一个名为热核西南的区域甲醇丰度最高，在图中以红色区域标示。威尔金斯等人的研究

科学的意义

我们很高兴看到新地图与之前发布的地图一致。由于自早期工作以来代码的改进，地图存在细微差异，但结论保持不变。由于这项研究，在我们继续研究这些区域的成分和化学过程时，我们对该绘图方法更有信心了。

虽然像这类重复研究可能不像那些产生突破性新成果的研究那样令人兴奋，但它们是科学过程的重要组成部分。随着射电望远镜等技术的进步，天体化学家将能够做出新发现，复核现有观测结果，并以前所未有的细节研究这些遥远区域。

相关知识

射电望远镜是观测天体射电波的科学设备，通过接收宇宙中天体发出的无线电波，可探测光学望远镜无法看到的天体（如脉冲星、黑洞等），助力科学家研究宇宙结构、演化及各类天体的性质，是人类探索宇宙奥秘的重要工具之一。

BY: Olivia Harper Wilkins

FY: AI

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翻译：AI

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参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自： https://theconversation.com/radio-telescopes-help-scientists-map-molecules-in-space-and-uncover-where-and-how-stars-form-283462

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