大質(zhì)量恒星，是宇宙中重元素和紫外輻射的主要來源。它們不僅影響星系的結(jié)構(gòu)和演化過程，還影響星系中新一代恒星和行星系統(tǒng)的形成。在大質(zhì)量恒星形成過程中，分子云坍縮形成了致密云核和大質(zhì)量原恒星，引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化的熱能或大質(zhì)量原恒星的輻射加熱了周圍星際物質(zhì)，形成了熱核。熱核是具有豐富有機(jī)分子輻射的分子云核，具有高溫氣體和致密結(jié)構(gòu)的特征。天文學(xué)家認(rèn)為，熱核是大質(zhì)量恒星形成過程中的一個(gè)中間階段，它能夠顯示大質(zhì)量原恒星最直接的物理和化學(xué)環(huán)境變化的“痕跡”。

　　目前在星際空間中探測(cè)到的有機(jī)分子，絕大部分是在熱核中探測(cè)到的。因此，熱核堪稱高效的“宇宙化工廠”。由于星際空間中的復(fù)雜有機(jī)分子與生命前化學(xué)息息相關(guān)，因此開展宇宙復(fù)雜有機(jī)分子的研究對(duì)理解宇宙生命起源有重要意義；同時(shí)，對(duì)熱核中的有機(jī)分子觀測(cè)能夠?yàn)樘煳膶W(xué)家研究大質(zhì)量恒星形成、天體化學(xué)以及宇宙生命起源提供有力支撐。

　　構(gòu)建最大的熱核樣本庫

　　鑒于熱核觀測(cè)研究的重要性，天文學(xué)家對(duì)熱核的研究通常采用大量的單天線和干涉陣的觀測(cè)數(shù)據(jù)。然而，單天線觀測(cè)就像用一臺(tái)像素極低的相機(jī)從空中對(duì)一座化工廠拍照，只能拍到工廠的模糊影像，卻無法分辨工廠內(nèi)部建筑及生產(chǎn)經(jīng)營狀況的細(xì)節(jié)。因此僅通過單天線觀測(cè)不能得到準(zhǔn)確的熱核物理化學(xué)性質(zhì)。此外，以往的單天線和干涉陣觀測(cè)主要是對(duì)個(gè)別天體開展研究，科學(xué)家針對(duì)每一個(gè)天體、每一次觀測(cè)都“定制”了不同的空間分辨率和譜線設(shè)置，因此很難通過以往的研究方式和數(shù)據(jù)得出具有統(tǒng)計(jì)意義的比較研究結(jié)果。

　　由中國科學(xué)院上海天文臺(tái)劉鐵研究員領(lǐng)銜的ATOMS項(xiàng)目組利用阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波天線陣(ALMA)對(duì)146個(gè)大質(zhì)量恒星形成區(qū)進(jìn)行了系統(tǒng)的熱核搜尋和證認(rèn)工作。這是國際上首次對(duì)熱核的大樣本、高分辨率搜尋研究項(xiàng)目。ATOMS項(xiàng)目組發(fā)現(xiàn)了100余個(gè)熱核候選體。

　　不久前，項(xiàng)目組成員、云南大學(xué)教授秦勝利領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)這些熱核候選體進(jìn)行了模型計(jì)算，主要考察了3種復(fù)雜有機(jī)分子：含氮有機(jī)分子乙基氰、含氧有機(jī)分子甲酸甲酯和甲醇。這些復(fù)雜有機(jī)分子譜線通常在比較高的密度和溫度條件下才容易被激發(fā)，此前它們主要在熱核中被探測(cè)到，是常用的熱核分子探針。秦勝利教授團(tuán)隊(duì)的此項(xiàng)工作成功證認(rèn)了60個(gè)熱核，其余熱核候選體有待進(jìn)一步的考察確認(rèn)。這60個(gè)熱核中，有45個(gè)是本次研究新發(fā)現(xiàn)的熱核。劉鐵說：“這是目前國際上最大的熱核樣本庫，為將來大質(zhì)量恒星形成和分子天體化學(xué)研究提供了絕佳樣本源。”

　　“內(nèi)資工廠”與“外資工廠”

　　研究團(tuán)隊(duì)還系統(tǒng)考察了這60個(gè)熱核的化學(xué)性質(zhì)，調(diào)研了這些“宇宙化工廠”的“生產(chǎn)經(jīng)營狀況”。該研究發(fā)現(xiàn)這些熱核的加熱源各不相同。在這60個(gè)熱核中，有36個(gè)熱核周圍沒有電離氫區(qū)，加熱源來自其內(nèi)部，屬于“內(nèi)資工廠”；其余24個(gè)緊鄰電離氫區(qū)，屬于外部加熱的“外資工廠”。

　　秦勝利說：“此次研究發(fā)現(xiàn)接近40%的熱核屬于外部加熱。這表明熱核也許不是大質(zhì)量恒星形成的直接前身，而僅是大質(zhì)量恒星形成區(qū)附近的高溫高密富含有機(jī)分子的區(qū)域。”此外，該研究還發(fā)現(xiàn)“外資工廠”生產(chǎn)乙基氰的效率要明顯高于“內(nèi)資工廠”，即外部加熱的云核中乙基氰含量更高，而“外資工廠”與“內(nèi)資工廠”生產(chǎn)甲酸甲酯的效率并沒顯著不同，其原因有待進(jìn)一步研究。

　　此次研究還發(fā)現(xiàn)，在這60個(gè)熱核中，有29個(gè)存在明顯的氮氧分離現(xiàn)象，即含氧有機(jī)分子與含氮有機(jī)分子的空間分布不同。

　　科學(xué)家此前僅發(fā)現(xiàn)了不到5個(gè)存在氮氧空間分離的熱核。本次的研究結(jié)果是首次系統(tǒng)地發(fā)現(xiàn)熱核中普遍存在氮氧分離現(xiàn)象，而這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)將為研究地球“碳虧損”現(xiàn)象提供幫助。

　　地球“碳虧損”現(xiàn)象一直是一個(gè)未解之謎。研究發(fā)現(xiàn)，地球上的碳元素豐度比星際塵�；蝈缧堑徒�4個(gè)數(shù)量級(jí)，科學(xué)家認(rèn)為其起因可追溯至行星和恒星形成過程。秦勝利認(rèn)為：“在恒星形成過程中，冰相氮氧有機(jī)分子會(huì)在不同溫度下蒸發(fā)、被破壞，導(dǎo)致氮氧空間分離，此過程間接導(dǎo)致碳在不同區(qū)域具有不同程度的損耗。因此，熱核中觀測(cè)到的氮氧分離現(xiàn)象有可能解釋地球的‘碳虧損’問題�！痹撗芯坑^測(cè)到的大樣本氮氧分離為以后進(jìn)行深入研究提供了樣本。

　　劉鐵展望道：“平方公里陣列望遠(yuǎn)鏡(SKA)是我國參與的最大的國際天文大科學(xué)裝置。研究星際有機(jī)分子產(chǎn)生機(jī)制并探究宇宙生命起源是SKA的主要科學(xué)目標(biāo)之一。我們發(fā)現(xiàn)的這些熱核是未來SKA觀測(cè)的重要目標(biāo)源�！贝送�，ATOMS項(xiàng)目組正利用高質(zhì)量的ATOMS數(shù)據(jù)從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度深入研究大質(zhì)量恒星形成，特別關(guān)注大質(zhì)量原恒星的吸積及反饋過程。