近日，由中国科学院大学天文与空间学院吴京文教授领衔的国内和国际研究团队在恒星形成领域的基本问题之一：恒星形成是由什么决定的方向取得重要突破，发现引力束缚气体是恒星形成的决定性因素。一旦达成引力束缚，气体将以统一的效率转化为恒星。该成果于9月12日在线发表于国际天文学期刊《Astronomy & Astrophysics》。
恒星形成是发生在天体物理不同尺度，不同宇宙时期的基本过程，受引力、湍动、磁场、外部环境、化学演化等因素共同影响，复杂度高，目前还没有统一的理论体系可以完整描述。理解恒星形成率以及恒星形成效率最终由什么因素决定，是恒星形成领域目前尚未解决的三个重大问题之一。其中最大的难点在于从观测角度而言，所有观测到的物理参量，它们的引力、湍动、磁场等对星际介质的作用在空间上交织在一起，独立贡献难以区分。而作为一种妥协方案，人们对观测到的恒星形成率与气体含量在时间和空间尺度上取平均，建立起经验性的关系，其中最著名的就是Kennicutt-Schmidt law，又被称为恒星形成定律，被广泛用于计算星系尺度的恒星形成率。但其本质仍然是一个经验关系，物理背景不明，准确度很有限。
研究团队另辟蹊径，创新性地运用柱密度概率分布函数（N-PDF）的方法，在密度空间而非物理空间上，将高密度、呈幂律分布的自引力主导气体与低密度、呈正态分布的湍动主导气体分开，利用尘埃发射的光薄特性计算其总质量，首次大样本精确测量了分子云中完全由引力束缚的气体质量，发现其与恒星形成率呈现完美的线性相关，在银河系分子云中跨越4-5个质量和尺度量级而成立，效果远超过去用单一密度阈值判断恒星形成气体总量等其他方法。在银河系内从小到大的分子云尺度上，引力束缚气体的恒星形成效率是一致的，不随环境而改变。这一结果首次揭示了引力束缚气体是决定恒星形成的决定性因素。引力束缚气体总量决定了分子云的恒星形成率；而一旦达成引力束缚，所有的气体将遵循统一的效率转化为恒星，其数值约为每百万年转化0.4%。
这一结果还可以很好的解释一些恒星形成领域长期存在的重要谜题。比如恒星形成存在一个经验密度阈值问题: 在近邻小质量恒星形成区的观测发现只有柱密度大于某一阈值（光学消光Av>8 mag）才会有恒星形成发生。其本质是在这些分子云中Av=8的柱密度恰巧处于引力束缚气体和湍动主导气体的柱密度分界线，对大部分小质量分子云Av>8大致对应引力束缚气体，而对大质量分子云这一阈值其实会随湍动变大而上移，并非固定阈值。还有银河系中心分子云区（CMZ）恒星形成率过低谜题：CMZ集中了银河系大部分致密气体，但恒星形成率比预期低了一个量级。最新的结果发现CMZ中由于湍动很强，分割引力和湍动贡献的密度阈值比正常分子云要高出几十倍，所以只有很小一部分致密气体处于引力束缚状态。如果只计算这部分引力束缚的气体，则其质量仍可满足与恒星形成率的线性相关。
这一发现不仅揭示出了恒星形成活动内在的、最本质的驱动力，还将在恒星形成观测、理论、及数值模拟方面产生重要和深远的影响。它可以作为独立测量恒星形成率的工具，相对K-S law而言具有明确的物理内涵，同时又可以为数值模拟提供更精确的恒星形成率计算方案。
图1: 利用N-PDF方法计算出的引力束缚气体质量（Msgb）与恒星形成率SFR在银河系分子云中呈紧密线性相关。银河系中心分子云区（CMZ）如果只看引力束缚气体也适用这一相关性。
文章第一作者为国家天文台焦斯汗博士，合作导师及共同一作为中国科学院大学教授/国家天文台研究员吴京文。研究团队还包括由南京大学、清华大学、广西大学、紫金山天文台、上海天文台以及美国德克萨斯大学、哈佛-史密松天体物理中心等研究人员组成的国际研究团队。
