像太阳这样的恒星，是由被称为前恒星核心的星体坍缩形成的。这些星体是由引力维系在一起的寒冷、稠密的气体和尘埃的聚集物。虽然关于恒星形成的具体机制仍有许多问题，但先进的射电望远镜为研究人员提供了对新生恒星内部运作机制的新认识。
近日，九州大学和马克斯·普朗克地外物理研究所的研究人员在《天文学与天体物理学》上发表文章，首次探测到前恒星核心中发生的一种称为双极扩散的现象。这种现象削弱了核心的磁场支撑作用，导致引力坍缩，最终形成一颗被称为原恒星的新生恒星。
这些发现进一步揭示了早期恒星形成的关键过程，进而有助于理解恒星系统是如何形成的。
磁场可以延缓坍缩
“前恒星核是特别有意思的恒星体。它们又密又冷，也是大量复杂化学反应的温床。寒冷的环境使分子能够聚合成更复杂的分子，例如前生命有机分子的前体，”第一作者、九州大学高等研究院副教授Doris Arzoumanian解释道。
“我们正在研究的问题之一是磁场在恒星形成中的作用。强磁场遍布前恒星核。如果磁场太强，就会延缓引力坍缩，从而延缓恒星形成。我们想研究前恒星核如何减弱其磁场强度。”
研究团队利用毫米波射电天文研究所（IRAM）的30米望远镜，将目光投向了L1544——位于金牛座分子云中——这是距离地球最近的恒星形成区之一——的一个前恒星核。
在分子云中，气体部分电离，这意味着离子与磁场紧密耦合在一起，而中性粒子则通过碰撞间接地与磁场发生作用。研究这些分子是理解前恒星核磁场状态的关键。
然而，由于前恒星核极为寒冷，最常见的分子示踪剂会冻结在尘埃颗粒上，导致这些示踪剂无法被观测到。因此，研究团队必须找到一组新的分子来作为示踪剂。
示踪离子和中性气体
“我们选择了二氮烯鎓的氘代物（Diazenylium‑d1，N2D+，一种离子）和仲一氘代氨（para‑NH2D，一种中性分子）作为示踪剂，因为它们通常位于前恒星核内相似的高密度区域，”第二作者、马克斯·普朗克地外物理研究所课题组组长西尔维娅·斯佩扎诺解释道。
“因此，我们收集了星前核的光谱数据，并模拟了这两种分子的速度。”
他们发现两种分子之间存在约0.05公里/秒的明显速度差，这被解释为离子-中性粒子漂移的证据。随着星前核密度的增加，它会受到屏蔽而免受辐射影响，电离程度降低。这削弱了分子与磁场之间的联结，最终中性粒子因重力作用脱离磁场的束缚并向内漂移，而离子则仍然被磁场束缚。
当中性粒子向核心中心下落时，它们会加速，而离子仍与磁场相连，从而造成了这种速度差异。
“这一过程被称为双极性扩散。直到现在，在恒星形成前核心中观测到这种现象仍是一项重大挑战，”阿尔祖马尼安继续说道。“随着双极性扩散的不断进行，磁场强度会减弱。最终，引力成为核心中的主要驱动力，使其在引力作用下坍缩，最终形成原恒星。”
更高精度的图像可以检验这种漂移
该团队希望通过观测更多的恒星形成前核心，并获取角分辨率更高的观测数据，以更精确地描绘离子和中性分子的速度漂移情况，从而进一步证实其发现。
“这些成果离不开气体动力学、天体化学和尘埃物理学领域的观测专家和理论专家之间的跨学科合作，”阿尔祖马尼安总结道。“理解恒星形成，就是在回应行星系统中生命起源这一根本问题，并有助于我们更好地理解整个宇宙的全貌。”
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