新的高准度模拟模型直击星团形成现场

新的高准度模拟模型直击星团形成现场

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主译：酥油饼

校译：余路汉

编排：张少岩

后台：李子琦 胡永葳 李鸣晨

原 链接： https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2022/7926/

研究背景

恒星诞生于分子云，分子云是主要由氢分子组成的低温、高密度的星际气体（分子气体）。 我们认为在分子云中，特别是在由于自身重力作用而导致气体下落的巨大分子云中，会诞生质量超过太阳8倍的大质量恒星和恒星集合组成的星团。星团最初被隐藏于分子云中。然而，在星团内，大质量星最终会电离并吹走构成恒星的分子气体，结束恒星的形成。因此，星团作为大质量恒星的诞生地而备受关注。我们认为猎户座星云此时此刻正在发生这一过程。

猎户座星云的结构示意图（左图：与图1a一样的正面图，右图：截面的想象图）。从观察者的角度看，分子云位于星团的后面，电离区延伸到前面。Ori A隐藏于星团前面的电离区中，NU Ori的一半藏于比星团更后面的分子云中。

图2：距离星团5pc（约16光年）以内、质量大于太阳两倍的恒星的速度分布图。恒星的速度被设定为1（这是恒星不受星团引力约束所需要的速度）。红色虚线是在模拟中形成的星团，蓝线是猎户座星云中的星团。灰色区域表示观察到的速度分布的误差范围（使用了自助法估算）。 速度大于1的恒星有很大可能会从星团中心弹出，而速度小于1的恒星则是被引力束缚在星团中。

猎户座星云中有一个包含一些大质量恒星的星团，虽然从我们的角度看，分子云仍然存在并继续在星团的深处形成恒星，但其前方延伸着由大质量恒星电离出的电离氢区。由于该星团相对靠近地球，其结构也得到了很好的研究。此前，人们认为在猎户座星云中，是因为星团中心质量最大的恒星Ori C而形成了前方巨大的电离氢区。然而，最近对隐藏于分子云中的星团进行的数值模拟研究表明，在大质量恒星诞生后，由于星团中心的分子气体密度过高，无法立即形成一个大的电离区，但如果正确考虑到星团内大质量恒星的运动，就可以如同猎户座星云那样在星团的外部形成一个延展的电离氢区。

然而，在恒星是在分子云中逐渐形成的这种模拟中，这样的过程从未得到检验。以前的星团形成模拟在计算恒星轨道时，通常会通过弱化近距离遇到的恒星之间的引力作用，来减少计算成本。在这种模拟中人们未能捕捉到恒星从中心弹出的情况。

研究内容

在这项研究中，东京大学、神户大学等开发了一个新的星团形成模拟程序“ASURA+BRIDGE”。本程序通过将星际气体和恒星分开固定的时间，并用不同的积分方法进行积分，可以高速计算出恒星在星际气体产生的引力场中的运动，而不使用恒星在近距离相遇时弱化引力的假设。

我们把使用“ASURA+BRIDGE”模拟形成的星团（图3）与猎户座星云中心部分的恒星的空间分布和速度分布进行了比较。猎户座星云团是离地球最近的星团之一，各个恒星的质量、位置和运动以及星际气体的分布都能够进行很好的观测。这使得我们可以与模拟出的结果进行详细的比较。

结果显示，猎户座星云中大质量恒星的速度分布如星团形成模拟中所示的那样，与从星团中心喷出的恒星的速度分布相同（图2）。这表明大质量恒星诞生于星团的中心，即有大量的低温且密集的分子气体的地方，并且由恒星之间的引力作用从中心弹出。

事实上，在离猎户座星云中心不远的地方存在着大质量恒星。根据盖亚天 卫星（Gaia Astrometry Satellite）的数据和模拟结果，我们估计Ori A恒星在大约50万年前就从星团中心弹出，现在正在返回星团中心的路上（图1b）。我们还发现NU Ori（图1a的上半部分）有着与从星团中心喷射出来恒星相似的运动。

事实上，在离猎户座星云中心不远的地方存在着大质量恒星。根据盖亚天 卫星（Gaia Astrometry Satellite）的数据和模拟结果，我们估计Ori A恒星在大约50万年前就从星团中心弹出，现在正在返回星团中心的路上（图1b）。我们还发现NU Ori（图1a的上半部分）有着与从星团中心喷射出来恒星相似的运动。

像这样从星团中心喷射出来的恒星使星团外缘的分子气体电离，促成了一个不以星团为中心的电离氢区的形成。在猎户座星云中，观察者看到的电离氢区在前方，而深处的分子云仍然存在，并继续形成恒星。诞生于星团中心、分子云较为密集的地方的大质量恒星，首先在星团的中心形成一个小的电离区（图4）。

图4：模拟中还原的星团中心区域（上排）的截面图和猎户座星云的中心区域（下排）的截面示意图。右侧是观察者一侧。时间按a→b→c的顺序。星标表示大质量恒星，箭头（上排白色，下排黑色）表示恒星的运动方向。当一颗大质量恒星从星团中心向右射出时，覆盖在星团中心的分子云中就会出现一个开口，电离氢区就会向右延伸。

为了让大质量的恒星能够电离星团的外缘，必须在覆盖了星团中心的厚厚的分子云中形成一个开口。在本次的模拟研究中，当诞生在星团中心的大质量恒星向观察者眼前方位喷射时，它会在中心的高密度分子云中形成一个开口，就像猎户座星云那样形成一个向前方延伸的电离氢区（图4）。这表明大质量恒星的运动在猎户座星云这样的星团形成区域的电离过程中非常重要。

未来的展望

本研究中模拟再现的猎户座星云的星团是中等规模的星团，目前还没有人成功地模拟出包含更多恒星的大质量星团的形成过程，再现每一颗恒星的运动。这项研究中开发的模拟程序“ASURA+BRIDGE”能够模拟更大规模的星团的形成，包括比猎户座星云大10或100倍的星体。

这项研究作为“SIRIUS项目”的一部分而进行，该项目不仅旨在重现和模拟星团，还包括更多恒星的星系，甚至其中的单个恒星也能进行重现和模拟，使用的是日本国家天 台专用于天 学的超级计算机ATRUI II。在未来，我们预计将进行更多的大规模模拟，期待能够阐明大质量星团和星系的形成过程，以及大质量恒星在这些过程中发挥的作用。

『天 湿刻』 牧夫出品

当星系团碰撞时