记者 张双虎 ■黄辛
星际空间中的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，对富含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。
近日，由中科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（ATOMS）”项目组，通过分析阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波天线阵（ALMA）的观测数据，对100多个热核候选体进行证认，构建出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。相关研究发表于《英国皇家天文学会月刊》。
遥远的宇宙“化工厂”
“构成生命体的复杂有机分子在太阳诞生之前就存在于宇宙中，但其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。”刘铁告诉《中国科学报》。
在大质量恒星形成过程中，分子云坍缩形成了致密云核和大质量原恒星，引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”。
“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’。”刘铁说，“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的理解，进而为大质量恒星形成、宇宙生命起源研究提供有力支撑。”
该项目组利用ALMA，对距地球几百秒差距（1秒差距约3.2光年)至上千秒差距范围的天体进行了系统“普查”，对146个大质量恒星形成区进行了系统热核搜寻和证认，并从中挑出100多个候选体。这是国际上首个针对热核的大样本、高分辨率研究。
“我们通过对2TB海量数据的分析处理，得到近500GB的压缩数据，构建了目前国际上最大的热核样本库。”刘铁说。
该论文审稿人认为，这项工作基于大量观测数据，标记并分析了热核间的相互关系、在宇宙化学背景研究方面做了扎实的分析，对进一步澄清宇宙生命起源十分重要。
“内资”“外资”有别
以往，天文学家对热核的研究多采用大量单天线观测数据。由于单天线观测的波束稀释效应，这种观测无法分辨分子云中的热核。
“单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。”刘铁说，“因此，仅通过单天线观测不能准确得到热核物理化学性质。”
此外，以往干涉阵观测主要针对个别热核天体开展，科学家对每个天体、每次观测都“定制”了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。
为解决上述问题，该项目组成员、云南大学教授秦胜利带领团队对热核候选体进行了模型计算，重点考察了其中3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。
“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被激发，此前它们主要在热核中被探测到，是常用的热核分子探针。”秦胜利告诉《中国科学报》，“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个是新发现的热核。”
在对这60个热核化学性质的进一步研究中，研究人员分析了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。
“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‘内资工厂’。其余24个紧邻电离氢区，是外部加热的热核，属于‘外资工厂’。”秦胜利解释说，“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了挑战，表明热核也许不是大质量恒星形成的直接前身。”
此外，该研究还发现，“外资工厂”生产乙基氰的效率要明显高于“内资工厂”，即外部加热的云核中乙基氰含量更高。但“外资工厂”与“内资工厂”生产甲酸甲酯的效率没有显著异同，其原因有待进一步研究。
为地球“碳亏损”研究提供依据
凭借ALMA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，科学家仅发现不到5个存在氮氧空间分离的热核。
“该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’研究提供了依据。”秦胜利说。
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。科学家认为其起因可追溯至行星和恒星形成时。
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，导致氮氧空间分离，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。
“平方公里阵列射电望远镜（SKA）是我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SKA的主要科学目标之一。”刘铁展望道，“本次发现的这些热核是未来SKA观测的重要目标源。目前，ATOMS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。”
相关论文信息：
https://doi.org/10.1093/mnras/stac219
《中国科学报》 (2022-02-28 第3版 综合)
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