^☆本文源自国家自然科学基金委员会政策局2017年12月完成的《学科发展态势评估系列研究报告》之《天文学十年：中国与世界》。

宇宙中各尺度的恒星形成,不论是位于宇宙边缘的第1代恒星还是在我们银河系“家园”里的恒星,都是贯穿于宇宙起源和天体演化的核心科学问题。可以说,恒星是宇宙中的“原子”,有关恒星是怎样形成的这一问题则是当代天体物理学研究的枢纽：恒星形成不但决定星系的结构和演化,而且人类赖以生存的行星系统的起源也与之紧密相关。另外,宇宙中的大部分元素（包括人类世界的构成）也都源自恒星。因此,围绕着恒星形成和起源的研究,是天文学也是现代科学中最重要和最基本的课题之一;而探讨宇宙中不同时期、不同环境及尺度上的恒星形成过程和物理机制,并获得描述恒星形成的整体规律,则成为相关天文研究的主要科学目标。对于宇宙中各层次恒星形成的认识,也能够为其他重要前沿研究领域,如星系的形成、结构和演化、银河系结构、高能天体物理、暗物质、宇宙结构起源以及宇宙学等提供基础性参考。这是ALMA时代最前沿的天文学研究方向。

根据作者对本领域的了解,最近10年科学家关注的热点研究问题如下。

（1）银河系中分子云的分布

恒星形成于稠密的星际分子云中,完整揭示银河系大尺度分子气体分布是认识银河系全局恒星形成条件的前提。因此,对银河系尺度分子巡天一直是国际上的热点。近期的巡天包括JCMT的CO部分巡天、澳大利亚Mopra望远镜在南天的巡天、Planck卫星对整个银河系的低分辨全天CO成像以及中国紫金山天文台德令哈13.7 m望远镜的“银河画卷”等。这些观测数据为揭示银河系分子云大尺度分布、内部结构以及恒星形成的物理条件提供了基础。

（2）大质量恒星的形成

经过近半个世纪的观测和理论研究,我们已经基本了解孤立小质量恒星的形成过程。但是,宇宙中大多数恒星是在星团中形成而不是孤立的形成,并且重元素的产生以及整个星系的形成与演化可能更主要取决于10倍太阳质量以上的大质量恒星。因此,大质量恒星的形成模式成为近期研究热点。近期研究人员在大质量原恒星周围发现了自洽的外向流、塌缩包层、旋转盘结构,并且在大质量年轻星BN天体周围探测到偏振盘。这些研究普遍支持大质量恒星可能与小质量恒星有相似的质量增长模式。

（3）星暴和活动星系核AGN之间的关联

星系中心黑洞质量与核球速度弥散的紧密相关性,充分表明星系中心黑洞的活动是星系形成与演化的一个必然过程。因此,寻找星暴和AGN之间的相互关系成为研究热点。虽然观测设备性能得到极大提高,但是这两者之间的关系依然是个未解之谜,不同的学者得到的结果互相矛盾。例如：有研究工作表明AGN活动能够抑制恒星形成;但也有许多工作表明,AGN对恒星形成影响不大,甚至能够促进AGN宿主星系中的恒星形成。

（4）恒星形成历史的研究

宇宙中星系的恒星形成历史为星系的演化提供了关键的信息,大型观测设备都将研究恒星形成率演化、搜寻高红移星系以及其中的恒星形成模式作为主要科学目标之一。因此,过去一二十年来,人们对星系形成和演化的认识有了革命性的变化。红移高达7.5的星系得以探测,高红移处恒星形成的双模式得以发现。此外,对恒星形成率密度演化的测量也取得了重要成果。

（5）恒星形成定律

恒星形成活动不断将气体转化为恒星,因此我们期望气体和恒星形成率之间有某种关系——即恒星形成定律。对恒星形成定律的研究有助于理解恒星形成的整体规律,能为理论研究星系形成和演化提供观测依据和限制,因此成为研究热点和重点。近期研究人员发现,致密分子气体与恒星形成率之间存在线性关系——这与早先的总气体（分子气体+原子气体）与恒星形成率之间的非线性关系有本质的不同。此外,对局域恒星形成定律的研究也取得了巨大的进展,利用不同致密气体示踪剂所获得的恒星形成定律基本都是线性的。

（6）星际介质

高能级的CO发射线 ( J>3 ) 、CS、HCN、HCO+以及H₂O等偶极矩较大的分子的临界密度较高（>10⁴ cm^﹣3）,因此能够示踪致密分子气体。研究致密分子气体对理解恒星的形成尤为关键。研究不同物理环境下致密分子气体发射可以获得最佳致密气体探针,并检验恒星形成定律。近期研究发现,高阶CO、CS、HCN以及H₂O的部分发射与恒星形成率都有较好的线性关系。由于这些发射所示踪的分子密度各不相同,说明恒星形成只与致密分子气体的含量有关。

（7）恒星形成率

对于恒星形成研究来说,最关键的问题就是测量恒星形成率。对于银河系,可以通过年轻星计数的方式获得。但是对于河外星系,基本很难分辨单个恒星,需要通过间接手段来测量恒星形成率。因此,寻找各红移处合适的恒星形成率定标剂甚至适合不同红移处的“统一”定标剂则成为研究热点。近些年来,随着Galex、Spitzer、Herschel、ALMA等大型空间和地面设备的出现,基于新的紫外、红外、（亚）毫米波连续谱及谱线的恒星形成率定标大量涌现,为研究高红移恒星形成打下了坚实基础。

总之,不论是宇宙边缘还是我们的近邻家园,ALMA正在革命性地改变我们对这一领域的全新认识及研究课题。

通过以下3组文献计量学统计数据,可以评估中国在星系中的恒星形成研究领域的国际地位：在2005–2014年的10年间,中国在星系（含银河系）中的恒星形成领域发表的SCI论文从2005年的49篇增加到2014年的176篇,论文数量的世界排名从第14位上升到第12位;被引频次的世界排名基本不变;但高被引论文从1篇增长到4篇。无论是研究规模（论文数量）还是学术影响力（高被引论文数量）,近10年来中国的国际地位均呈上升态势。但是,与排名世界第1的美国相比,中国还存在很大的差距（2010–2014年论文数量、被引频次、高被引用论文数量仅为美国的12.4%、8.5%和7.2%）。这主要是观测设备落后所致,特别是近5年ALMA带来很多革命性的新发现,以及大量亚毫米波段连续谱的大天区的巡天成像观测,都是我们很难领先触及的研究方向。

近年来,在中国恒星形成领域研究人员的不懈努力下,取得了若干可圈可点的成就。 特别是在银河系旋臂的确定、大质量恒星形成模型、恒星形成定律、矮星系中的恒星形成等方面,中国发表了一批令国际同行瞩目的研究成果,储备了一大批优秀的科研人才。

中国科学院紫金山天文台于2011年启动了“银河画卷计划”,这是自Columbia巡天结束以后的又一次无偏的大规模巡天,不过其在分辨率及探测深度等各方面都比Columbia巡天提高一个量级。目前,“银河画卷”计划已经对超过660平方度的天区进行了CO三条谱线的成固观测。此外,2011年以来,利用德令哈13.7 m望远镜所安装的多波束设备以及澳大利亚Mopra mm波望远镜,中国开展了银道面附近大样本的毫米波段甲醇脉泽搜寻,在短时间内新发现甲醇脉泽200多个,在国际多年积累的样本数量基础上实现了倍增,进展显著。

银河系中大质量恒星只占恒星总数的 1%左右,且形成时标很短。因此,直到最近10多年间,随着地面和空间观测能力的发展,天文学家才建立起孕育大质量原恒星的云核样本。对这些云核的CO谱线巡天发现云核周图普遍存在高速分子外向流,表明中心星可能正通过吸积获得物质,并由此引起后续的大质量外向流的高分辨率观测和大质量星周盘的搜寻。国内学者在这方面已经取得有较好国际显示度的成果：北京大学吴月芳与合作者完成了迄今最大样本的分子外向流统计分析;Nature杂志发表了中国科学院紫金山天文台江治波等在大质量年轻星BN天体周围探测到偏振盘的结果。

对于恒星形成定律,中国科学院紫金山天文台高煜等人发现星系远红外光度（L_IR）与HCN光度（L_HCN）之间具有紧密的线性关系,从而为致密气体-恒星形成率关系研究奠定了基础。这表明河外星系作为整体的恒星形成单元,其中的恒星形成仅与致密气体含量有关,而与CO J=1-0发射所示踪的分子气体或气体总量（原子+分子）没有直接关系。这种线性关系也同样适用于银河系的巨分子云核以及高红移星系,亦在其他临界密度与HCN J=1-0类似或者更高的分子（如HNC, HCO+, CS, H₂O及高阶HCN、高阶CO）发射中得到。

各种理论模型预言：在缺乏金属元素以及由这些金属元素组成的分子和尘埃颗粒的情况下,恒星形成的效率会降低,即单位质量气体在单位时间内只有较少一部分才能转化成恒星。然而,这些理论预测一直缺乏有效的天文观测来证实。南京大学施勇团队通过对两个低金属元素含量的近邻恒星形成星系Sextans A和ESO 146-G14的多波段红外观测,发现这些恒星形成区域恒星形成效率远低于类银河系星系的观测结果,暗示了130亿年前宇宙原初气体可能无法有效地形成新恒星。这一科研成果发表在Nature杂志上。

当观测取得巨大进展的时候,曾经一度看起来非常简单的图景就会被证明是更加复杂和不确定的,这样的事情经常发生。我们试图去怀疑一些被广为接受的老生常谈的理论,并重点突出一些目前观测还没有给出完整自洽图像的重要问题。

我们正处于多个前沿领域的突破边缘：例如对银河系更加全面以及高分辨率的观测研究来细致刻画分子云结构、动力学、质量谱及其相应成协的全面无偏差的恒星形成;对河外星系中恒星形成率定标的适用范图也可以进行更多的测试并获得不同气体在不同物理尺度下的恒星形成定律。同时,麦哲伦云为我们提供了在贫金属丰度环境下测试这些物理性质的极佳场所。HST将继续打破新的壁垒,特别是在直接观测测量年轻星及它们的颜色和星等图（CMDs）。JVLA射电多波段的成像将更好地区分非热辐射和直接示踪电离率和大质量恒星形成率的自由-自由连续发射。SOFIA提供了比Spitzer更高的空间分辨率和谱线分辨率。将来,JWST将大大提高我们通过红外辐射示踪从近邻星系小尺度到遥远星系中的恒星形成的能力。

随着新仪器的投入使用,当前处于先期状态的对红移z~1-3恒星形成的研究将变得更加容易。先进的亚毫米阵列（如,JCMT的SCUBA-2、SPT、ALMA）和更大单天线望远镜的技术（如：50 m的LMT ) , 允许我们更深入和广泛地研究遥远星系的尘埃连续谱发射,可以减少目前样本中的很多偏差,以及构建贯穿宇宙时标的恒星形成的更加完整的图像。ALMA的观测更有利于探测到富分子气体星系——具有恒星形成活动但对于Hubble不可见的天体。ALMA更多的深场巡天观测终将探讨高红移、逼近第1代星系中的恒星形成和起源。因此,ALMA将揭示在星系形成和演化过程中“缺失的一半”星系。

数值模拟正时刻准备着在未来几年为这个领域做出重大贡献。采用了更高分辨率和更纯熟的处理加热、冷却、相平衡和反馈的模拟,能够更深入探查恒星形成标度律和阈值的物理性质,以及分子云的生命循环。真实的恒星反馈包括进数值模拟,将消除对恒星形成效率人为的限制。结合了包括分子云尺度和星系盘尺度的大范围相关物理过程的解析模型,也能使我们深入探查星系尺度的恒星形成的触发机制和规则。探索星系演化模型中分子云尺度的恒星形成方例,将揭示分子云尺度的规律对星系尺度演化的影响。人们对银河系内恒星形成的研究结果和认识将推广到更大范围的河外星系研究,跨越这两个领域的共同主题是推进观测和理论快速发展的重要助力。