银河系中的大部分恒星并不是孤立形成的，而是在双星甚至多星系统中诞生。尤其是大质量恒星，更有可能拥有伴星。有研究认为，几乎所有大质量恒星在诞生之初都存在于双星或多星系统中，因此，大质量双星如何形成，一直是恒星形成理论中的核心科学问题之一。

与已经形成的恒星不同，形成中的原恒星深埋于致密的分子云和吸积盘之中，无法直接观测，只能借助周围尘埃、分子和电离气体发出的辐射研究其性质。由于大质量恒星形成区距离遥远、双星轨道尺度极小且运动缓慢，长期以来，人们通常只能测量形成中双星在天空中的投影间距，少数情况下能够测得两颗原恒星之间的径向速度差，而无法真正确定它们轨道和星周盘的三维空间结构，因此始终缺乏检验不同形成理论所需的关键观测证据。

为了探索这一问题，由上海交通大学张沂忱领衔的国际研究团队围绕一个名为 IRAS 07299−1651 的大质量恒星形成区，持续开展了多年的系统研究。在此前的研究中，同一团队利用 ALMA 首次发现了该区域中心正在孕育的两颗仍在持续吸积周围物质、不断增长质量的大质量原恒星，并首次利用氢复合线测得两颗原恒星之间的径向速度差，使其成为最早具有直接动力学约束的形成中大质量原双星系统之一。然而，这项发现也留下了新的谜题。双星较近的间距和几乎相等的质量，与经典的吸积盘碎裂模型高度一致；但与此同时，两颗恒星周围的星周盘似乎表现出朝向不同的迹象，为这一形成图景留下了新的疑问。

为了揭开这一谜团，研究团队利用2016年至2024年间 ALMA 从 3毫米到0.3毫米 的多历元、多波段高分辨率观测，首次探测到两颗原恒星极其微弱的相对轨道运动，同时分辨出各自的星周盘结构。ALMA 卓越的角分辨率，使得这种长时间基线的轨道测量成为可能。与此同时，多波段 ALMA 连续谱和氢复合线观测还对两颗原恒星的质量以及其他物理性质提供了多个彼此独立的约束。这些信息对于确定双星轨道以及整个系统的三维空间结构至关重要。论文通讯作者张沂忱介绍道：“这是我们第一次真正看到两颗仍处于形成阶段的大质量原恒星彼此绕转。相比于过去只能测量类似系统在天空中的投影位置，我们首次同时确定了双星轨道、星周盘和喷流之间的三维空间关系。”

图1.  背景为 JWST 获得的该区域中红外彩色图像（红：F470N，绿：F405N，蓝：F360M）；图中央的局部放大图为 ALMA 对中央原双星系统的 0.9 毫米连续谱观测，并叠加了重建得到的双星轨道。红、蓝移氢复合线发射描绘了两颗大质量原恒星周围电离星周盘的旋转运动，箭头表示双极喷流的方向。该图展示了从约 0.5 秒差距尺度的恒星形成整体环境，到约 100 天文单位尺度的双星系统，再到约 10 天文单位尺度的星周盘，跨越近四个数量级的空间尺度。（图片来源：NASA、ESA、CSA、STScI、Joseph DePasquale（STScI）；ALMA（ESO/NAOJ/NRAO）；Yichen Zhang）

除了测量原双星系统的轨道，ALMA 还解析出了两颗大质量原恒星周围约 20 个天文单位尺度的电离星周盘，并对星周盘朝向以及盘内气体运动学提供了强有力的约束；与此同时，VLA 射电观测以及 JWST 和 VLT 的红外观测则清晰描绘出双极喷流。不同波段观测所获得的信息彼此印证，共同描绘出形成中大质量原双星系统迄今最完整的三维物理图景。这一三维图景有两个令人意外的发现。首先，这对双星沿着一条高度偏心轨道运行，而非通常认为的近圆轨道；其次，两颗恒星周围的星周盘不仅朝向明显不同，而且也与双星轨道平面明显不一致。论文第一作者汪尧表示：“整个过程就像在拼一个三维拼图。每一次新的观测都会补上一块新的拼图，最终轨道、星周盘和喷流共同组成了一幅完整而自洽的三维图景。”

这些性质很难用传统的吸积盘碎裂模型解释。目前广泛接受的理论认为，近距离大质量双星起源于同一个吸积盘发生引力碎裂，因此两颗恒星周围的星周盘应当朝向基本一致，双星轨道也应接近圆形。相反，新获得的三维结构揭示了一段截然不同的形成历史。研究团队认为，两颗原恒星很可能最初分别诞生于两个独立的致密分子云核，在仍深埋于母体分子云中的形成阶段便发生了一次近距离引力相遇，并最终形成一个双星系统。换句话说，这两颗恒星并不是一起诞生的，而是在各自形成过程中相遇，最终成为彼此的伴星。

图2.  大质量双星形成过程的艺术想象图，展示了两颗大质量原恒星及其朝向明显不同的星周盘。（图片来源：Yichen Zhang）

这项工作获得了审稿专家的高度评价。审稿专家认为，这是“迄今关于形成中大质量双星轨道运动最全面的研究之一，整合了令人印象深刻的多种互补观测数据”。 长期以来，天文学家研究形成中的大质量原双星系统主要依赖其在天空中的投影距离以及少量径向速度信息，而完整确定深埋于分子云中的大质量原双星系统三维动力学结构一直超出了观测能力。本研究证明，通过长期、多波段、高分辨率观测，并结合毫米波、射电和红外等不同波段的数据，可以直接建立形成中大质量原双星系统的三维动力学图景，包括双星轨道、星周盘和喷流，为检验不同的大质量双星形成理论提供了新的观测手段。未来，研究团队将把这一方法推广应用于更多年轻大质量原双星系统，以确定这种新发现的形成途径是否具有普遍性，并进一步揭示宇宙中大质量恒星的形成机制。

本研究得到了国家自然科学基金、上海交通大学和阳阳发展基金的资助，在此深表感谢。