新物理机制破解原恒星形成前沿的“光度难题”

在研究原恒星形成领域中，有一个由观测和理论而来的且多年来被反复强调的所谓“光度难题”，即用今天观测到的形成原恒星的分子云核区域的发光亮度（即光度），人们可以凭借经验推估其原恒星的物质吸积率。再根据该体系存在的时间尺度和等温动力物质吸积率，则可估计现在原恒星的质量。然而这样推出的原恒星质量值远小于实际观测值。有些人则试图假设原恒星演化过程中有频繁的间歇性爆发式物质吸积，来缓解此“光度难题”。上世纪90年代初，天文学家Scott Kenyon首次公开这一挑战。

十多年前，在系统地研究广义多方动力塌缩吸积模型时，楼宇庆教授就已经注意到与等温固定不变的物质吸积率截然不同，一般的广义多方动力塌缩吸积率随时间变化，而且很自然地有早期吸积率很高逐渐随时间降低的变化方式，并建议以此取代广泛使用的等温塌缩模型来破解恒星形成研究中的“光度难题”。

Figure 1. Time evolution of protostellar mass accretion rates (MARs) dM*/dt, masses M* and accretion luminosity Lacc of dynamic conventional polytropic (CP) molecular cloud (MC) cores for various values of γ for protostar formation. For γ > 1 CP MC cores, MARs decrease with increasing time (top), and protostars accumulate most of their mass in their early phases of formation (middle). In the bottom panel, it is only for the larger values of γ = 1.2 and 1.3 that the accretion luminosity decreases with increasing time.

近来，综合与分子云及分子云核相关的侦测信息且在更为具体的理论模型和数据分析及模拟基础上，可以展示广义多方动力塌缩吸积模型的确从定性和定量的几个方面与观测结果保持一致。也就是说，在早期吸积率很高时原恒星事实上已经获取了绝大部分物质质量；当多方指数足够大时，物质吸积率降低的同时，分子云核的光度亦相应随之下降。由今天观测到的低光度推测出低的物质吸积率是正常合理的。关键症结是不应当采用恒定的等温物质吸积率来推断今天原恒星的质量。等温流体塌缩过程仅仅是广义多方动力流体塌缩过程的一种特殊情形。

该研究文章以“Variable protostellar mass accretion rates in cloud cores”为题发表在2017年《Monthly Notices of the Royal Astronomical Letters》上。美国Harvard-Smithsonian天体物理中心的Scott Kenyon博士极为欣赏这篇可变原恒星物质吸积率的Letter，他明确表示“Your solution to the luminosity problem seems eminently reasonable”。