近日,中科院國(guó)家天文臺(tái)科研人員首次捕捉到星際暗云的誕生,這是人類首次觀測(cè)到正在誕生的分子暗云。
題為《星際暗云的誕生被首次捕捉到》的文章近日在美國(guó)《天體物理雜志》發(fā)表,《自然》雜志將其選為研究亮點(diǎn)予以介紹,文中稱:宇宙中最小,最基本的分子是在兩個(gè)氫原子鍵結(jié)合形成氫分子時(shí)產(chǎn)生的。但由于很難將原子與其對(duì)應(yīng)的分子氫區(qū)分開(kāi)來(lái),分子的形成難以直接觀測(cè)。研究小組使用位于波多黎各的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)宇宙中的暗云。他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)暗云的原子氫的“外殼”正在被轉(zhuǎn)化為分子氫,這意味著首次探測(cè)到暗云的誕生。對(duì)氫分子形成速率的進(jìn)一步分析表明這個(gè)暗云大約有600萬(wàn)年的歷史,是暗云中的“嬰兒”。
約束恒星形成率的關(guān)鍵一步
氫是宇宙中豐度最高的元素,是物質(zhì)的主要組分。氫原子發(fā)出波長(zhǎng)為21厘米的超精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線輻射,是現(xiàn)代射電天文學(xué)的開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)之一。恒星形成于星際分子云中。因此氫原子轉(zhuǎn)化為氫分子的過(guò)程是宇宙可視結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵起始步驟。美國(guó)天文學(xué)家法蘭克·德雷克曾于上世紀(jì)六十年代提出著名的“德雷克公式”,唯像地描述了“銀河系以內(nèi)存在的智慧文明的數(shù)量”依賴于銀河有多少太陽(yáng)系,每個(gè)太陽(yáng)系有多大可能有地球,每個(gè)地球有多大可能形成生命等等。這個(gè)公式的第一項(xiàng)就是銀河系內(nèi)恒星形成的速率,要想明確這一項(xiàng),必須掌握原子氫轉(zhuǎn)化為分子氫的速度。
這項(xiàng)研究完成的正是這一步驟的測(cè)量。“我們?cè)谇叭搜芯康幕A(chǔ)上發(fā)展了新方法,測(cè)量在銀河系的尺度上原子氫到分子氫演化的速率。”論文作者、中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員李菂表示,這項(xiàng)工作從2003年開(kāi)始,直到最近才第一次找到顯示分子暗云正在形成的明確跡象。正在形成的分子暗云的年齡大概600萬(wàn)年,但在銀河系的尺度上還是一個(gè)“嬰兒”。他們發(fā)展了一種觀測(cè)方法,并命名為中性氫窄線自吸收(HI Narrow Self-Absorption,HINSA)。HINSA方法通過(guò)分離氫原子HI的吸收成分,直接測(cè)量分子云中的氫原子柱密度,并基于此進(jìn)一步分析得到分子氫氣形成速率及分子云的化學(xué)年齡。
李菂進(jìn)一步解釋了這項(xiàng)觀測(cè)的科學(xué)意義:宇宙中最多的物質(zhì)是原子氫,宇宙爆炸后,隨著能量密度下降,能量變成物質(zhì),其主要形態(tài)是氫原子。宇宙中氫原子的質(zhì)量超過(guò)所有肉眼可見(jiàn)的恒星及其組成的星系的總和。按照宇宙演化的歷程,從氫原子到新的恒星,原子到分子的轉(zhuǎn)化過(guò)程是必經(jīng)的。研究出氫原子到氫分子的轉(zhuǎn)化快慢,才能整體上約束銀河系恒星形成的速率,進(jìn)而判斷銀河系存在生命的概率。
FAST科學(xué)計(jì)劃的重要內(nèi)容
這項(xiàng)成果綜合利用了阿雷西博300米射電望遠(yuǎn)鏡,美國(guó)FCRAO望遠(yuǎn)鏡,以及赫歇爾空間紅外望遠(yuǎn)鏡。它展示了射電波段HINSA觀測(cè)方法的重要功能,也為FAST科學(xué)規(guī)劃提供了觀測(cè)依據(jù)。
據(jù)李菂介紹,今年九月即將通過(guò)驗(yàn)收的FAST射電望遠(yuǎn)鏡的相關(guān)科學(xué)能力更強(qiáng)、深度更深、覆蓋銀河系更全面,在FAST的兩項(xiàng)“巡天”計(jì)劃中,都有關(guān)于HINSA的研究?jī)?nèi)容。“FAST開(kāi)展的高靈敏中性氫巡天,能夠大規(guī)模測(cè)量銀河系內(nèi)的HINSA特征,為理解星際介質(zhì)演化提供系統(tǒng)的觀測(cè)基礎(chǔ)。”他說(shuō)。
“這次發(fā)現(xiàn),說(shuō)明這一現(xiàn)象是存在的,研究原理是可行的。將來(lái)我們希望能夠全面揭示銀河系內(nèi)暗云‘嬰兒’的數(shù)量,系統(tǒng)測(cè)量原子向分子轉(zhuǎn)化的時(shí)間尺度及速度。”李菂還透露,以FAST觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的首篇研究文章也已經(jīng)完成,預(yù)計(jì)發(fā)表在《天文和天體物理學(xué)研究》雜志上。(崔爽)
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