分子云和恒星形成之二

分 子 云 和 恒 星 形 成
II. 银 河 系 内 的 恒 星 形 成 研 究

恒 星 形 成 研 究 简 单 历 史
• 恒 星 形 成 过 程 是 天 文 学 的 基 本 问 题 之 一
• 康 德 的 星 云 假 说 (18 世 纪 中 期 )
• 拉 普 拉 斯 假 说 (18 世 纪 末 )
• 现 代 天 体 物 理 恒 星 光 谱 分 类 (19 世 纪 末 )
• 分 子 气 体 的 发 现 (1970 年 )
• 小 质 量 恒 星 形 成 的 阶 段 的 定 性 分 类 (80 年 代 )
• 大 质 量 恒 星 形 成 研 究 (20 世 纪 70 年 — 现 在 )

小 质 量 恒 星 形 成 的 理 论 模 型 (4 个 阶 段 )
Shu, Adams, Lizano, 1987, ARA&A

分 子 暗 云 (dark cloud)
• 没 有 恒 星 形 成 的 分 子 云
• 加 热 主 要 靠 宇 宙 线
• 冷 却 主 要 靠 H 2 与 CO 的 碰 撞 , 将 CO 碰 撞 到
高 的 转 动 能 级 , 然 后 CO 辐 射 带 走 能 量
• 尘 埃 的 辐 射 带 走 能 量 在 这 种 情 况 下 不 重 要
• 这 种 情 况 下 的 平 衡 温 度 在 10K 左 右
• 质 量 和 密 度 大 到 一 定 的 尺 度 , 它 会 进 行 塌
缩 , 到 达 上 面 的 图 中 第 一 个 阶 段

分 子 外 向 流 的 发 现
• 银 河 系 内 恒 星 形 成 活 跃 区 域 一 般 在 巨 分 子 云
(GMCs) 里 (10 5 -10 6 M ⊙ ,~100pc,~10K)
• GMC 中 的 声 速 一 般 在 几 十 km/s, 测 量 得 到 的 线
宽 , 一 般 小 于 这 个 数 值
• 气 体 的 塌 缩 过 程 , 角 动 量 守 恒 需 要 满 足 , 所 以 会
慢 慢 的 形 成 一 个 盘 状 结 构 , 同 时 还 会 伴 随 着 角 动
量 的 转 移
• 吸 积 盘 本 身 是 比 较 难 以 观 测 的 , 一 般 认 为 外 向 流
的 存 在 必 须 有 吸 积 盘
• CO 谱 线 发 现 后 , 在 70 年 代 同 时 发 现 了 外 向 流

分 子 外 向 流 谱
Orion 中 的 CO 1-0 谱
线 ,Bell 实 验 室 7m 毫
米 波 望 远 镜 测 得 , 可
以 看 出 明 显 的 高 速 成
分 , 和 正 常 的 多 普 勒
致 宽 导 致 的 谱 线 轮 廓
( 接 近 与 gauss 轮 廓 )
有 很 大 差 异
Lada 1985 ARA&A

双 极 分 子 外 向 流 的 观 测 证 据
• 外 向 流 的 形 态
• 经 过 CO 谱 线 的 成 图
观 测 , 可 以 知 道 红 翼
和 蓝 翼 的 空 间 分 布 的
差 异
• 到 目 前 为 止 已 经 发 现
大 量 (>300 个 ) 分 子 外
向 流 , 大 部 分 是 双 极
的 , 同 时 有 少 部 分 单
极 , 外 向 流 在 大 质 量
和 小 质 量 恒 星 形 成 区
都 普 遍 存 在

外 向 流 的 质 量 估 算
• 质 量 流 失 率 在 恒 星 形 成 过 程 中 很 重 要
•
12
CO/ 13 CO 组 合 , 在 一 定 的 假 设 下 , 可 以 计 算 外 向 流 的 质 量
• 这 个 可 以 得 到 光 学 厚 度
• 一 般 用 89, 也 就 是 地 球 上 的 丰 度 比
• 激 发 温 度 一 般 可 以 结 合 多 个 能 级 的
13
CO 观 测 得 到
• 单 纯 只 有
13
CO 1-0 的 观 测 也 是 可 以 进 行 计 算 的
• 这 时 可 以 假 定 激 发 温 度 和 环 境 气 体 类 似 , 并 假 定 完 全 光 薄

外 向 流 能 量 以 及 动 量 的 估 算
• 速 度 和 质 量 知 道 后 , 很 容 易 的 计 算 动 量 和
动 能
• 这 些 通 过 观 测 得 到 的 数 据 , 对 于 研 究 外 向
流 的 驱 动 机 制 以 及 带 走 能 量 和 角 动 量 等 的
理 论 估 算 很 有 用

双 极 分 子 外 向 流
Zapata et al. 2005

SiO 分 子 示 踪 外 向 流
Sollins et al. 2004 ApJL

初 始 质 量 函 数 (IMF)
•MF: 恒 星 计 数 随 着 质 量 分 布 的 函 数
•IMF: 开 始 形 成 的 恒 星 的 MF
• 初 始 质 量 函 数 的 确 定 , 对 于 星 系 演 化 、 重
元 素 的 形 成 等 研 究 有 很 重 要 的 影 响
• 测 量 : 气 体 团 块 的 质 量 函 数 、 尘 埃 的 团 块
的 质 量 函 数 、 年 轻 恒 星 计 数
• 高 空 间 分 辨 率 的 观 测 ( 分 子 谱 线 、 亚 毫 米 波
连 续 谱 ) 测 量

Infall ( 内 向 流 过 程 )
• 恒 星 形 成 过 程 十 分 复 杂 , 既 有 外 向 流 , 也
有 内 向 流
• 金 斯 不 稳 定 性 导 致 的 塌 实 , 是 大 尺 度 的 ,
在 小 尺 度 上 , 究 竟 物 质 怎 么 到 达 引 力 中
心 , 形 成 恒 星 , 具 体 过 程 是 需 要 研 究 的
• 要 最 后 形 成 恒 星 , 物 质 的 内 流 是 必 须 的
• 观 测 上 也 证 明 了 infall 的 存 在 是 普 遍 的

小 质 量 恒 星 形 成 infall 的 观 测 证 据
Zhou et al. 1993 ApJ

谱 线 轮 廓 对 应 的 辐 射 区 域
Evans 1999 ARA&A

Infall 在 各 种 质 量 恒 星 的 形 成 中 都 普
• 谱 线 特 征 和 小 质 量 恒
星 形 成 的 类 似
• 光 厚 谱 线 自 吸 收
• 光 薄 谱 线 的 峰 值 对 着
光 厚 谱 线 的 吸 收 位 置
遍 存 在
• Wu & Evans 2003

致 密 分 子 气 体 探 针
Evans 1999 ARA&A

大 质 量 恒 星 形 成
• infall 还 在 进 行 的 时 候 , 大 质 量 恒 星 已 经 到
达 主 序 , 中 心 已 经 有 核 燃 烧 了
• 自 由 下 落 时 标 :
•Kelvin-Helmholtz 时 标 :
• 中 心 产 生 的 强 大 的 辐 射 压 会 阻 止 吸 积
• 吸 积 还 是 碰 撞

辐 射 压 阻 止 内 流
• 大 质 量 恒 星 是 类 似 小 质 量 恒 星 那 么 形 成 的
吗
• 大 于 10 个 太 阳 质 量 的 恒 星 , 辐 射 压 很 大 ,
会 阻 止 物 质 内 流 增 加 质 量 , 怎 么 形 成
• 大 质 量 恒 星 形 成 于 星 团 中 , 是 否 可 能 由 多
个 恒 星 并 合 形 成 更 大 的 恒 星 (Bonnell 1998)
• 吸 积 方 式
• 观 测 证 据

吸 积 盘 和 外 向 流 的 搜 寻
• 外 向 流 在 大 质 量 恒 星 形 成 区 大 量 存 在
• 吸 积 盘 也 在 年 轻 大 质 量 恒 星 周 围 发 现
• 近 红 外 (Jiang et al. 2005 Nature)
• 氨 分 子 (Zhang et al. 1997 ApJ)
• 亚 毫 米 波 (Patel et al. 2005 Nature)
• 观 测 结 果 倾 向 于 大 质 量 恒 星 的 形 成 过 程 和 小 质 量
类 似 , 吸 积 和 外 流 过 程 伴 随 着 整 个 过 程
• 理 论 的 估 算 , 对 于 辐 射 压 也 有 更 为 精 确 和 全 面 的
考 虑 , 可 以 满 足 吸 积 和 辐 射 压 的 限 制 (Keto 2003)

旋 转 盘 的 观 测 证 据
Zhang et al. 1997

大 质 量 恒 星 形 成 研 究 的 重 要 性
• 大 质 量 恒 星 对 于 产 生 重 元 素 至 关 重 要
• 大 质 量 恒 星 在 其 形 成 、 主 序 以 及 死 亡 时 对
于 周 围 的 星 际 介 质 的 反 馈 十 分 重 要 , 会 影
响 到 下 一 代 的 恒 星 形 成
• 大 质 量 恒 星 形 成 研 究 目 前 还 有 很 多 问 题 需
要 解 决
• 大 质 量 恒 星 形 成 的 研 究 对 于 理 解 河 外 星 系
中 的 恒 星 形 成 活 动 十 分 重 要

银 河 系 内 的 分 子 谱 线 巡 天 观 测
• CO 1-0 示 踪 总 的 分 子 气 体 :
哥 伦 比 亚 巡 天 ( 主 要 使 用 1 米 镜 完 成 )
青 海 站 计 划 中 的 CO 1-0 三 条 谱 线 巡 天
•CO 3-2 示 踪 高 温 分 子 气 体 ( 需 要 额 外 加 热 )
计 划 中 的 巡 天 Arizona SMT
•NH 3 等 致 密 分 子 气 体 的 巡 天

维 里 ( 位 力 ) 定 理 和 维 里 平 衡
• 对 于 一 个 稳 定 的 自 引 力 体 系 , 存 在 下 列 关
系 :2T+Ω=0, 式 中 T 为 体 系 总 的 内 部 动 能
,Ω 为 体 系 总 引 力 势 能
•2T+Ω>0 时 , 膨 胀
•2T+Ω

维 里 定 理 与 金 斯 质 量
• 考 虑 一 个 密 度 均 匀 的 自 引 力 气 体 球
• 只 考 虑 热 运 动 动 能 时 ,2T=3NkT
• Ω=
• 维 里 平 衡 时
• 而 N=M/m (m 为 平 均 分 子 质 量 )
• 金 斯 质 量

维 里 定 理 ( 续 )
• 实 际 情 况 下 , 动 能 不 仅 是 热 运 动 导 致
• 这 个 时 候 , 我 们 需 要 通 过 测 量 量 来 进 行 计
算 维 里 平 衡 下 的 质 量
• 其 中 v 可 以 通 过 线 宽 测 得 , 而 R 可 以 通 过 谱
线 成 图 得 出

作 业