上海天文台科研人员揭示银河系中心“星际压力茧”和“太空龙卷风”的奇特现象
银河系的中央分子带（Central Molecular Zone，简称CMZ）通常指银河系中心周围半径200至300秒差距范围内的特殊区域，是研究恒星形成与星际介质演化的关键区域。该区域围绕着银心的超大质量黑洞，聚集着几千万倍太阳质量的巨量星际气体尘埃和数个超新星遗迹，伴随着剧烈湍流、强烈磁场和频繁的高能爆发现象。这些极端环境塑造了CMZ中独特的物质循环过程，并驱动了CMZ中新生代恒星的诞生。其中，银河系内已知最活跃的恒星形成区--著名的人马座B2巨分子云就位于CMZ内。
与我们更为熟悉的太阳系周边环境相比，CMZ在诸多天文现象上均存在不同之处，包括分子云尺度上更强的湍动、更高的气体温度、来自银心大质量天体的强烈潮汐力等。在分子云内部，CMZ与太阳系周边环境是否也有不同呢？例如，通过对太阳系周边分子云的观测，研究人员发现其中普遍存在自引力束缚的稠密云核，其引力足以克服热运动和气体湍动的支撑，使得气体坍缩并形成恒星；同时还发现普遍存在稠密气体细丝状结构，可以作为传送带，向云核输送新鲜的恒星形成原材料。同样的稠密云核和细丝结构是否也存在于CMZ分子云内？
为了解答这些问题，中国科学院上海天文台吕行研究员领衔的团队，利用世界上最先进的毫米波/亚毫米波干涉阵ALMA，在约0.2角秒的分辨率下将CMZ中的分子云解析到了2000天文单位的尺度。得益于这一前所未有的高分辨度，研究人员细致分析了CMZ中的稠密云核和细丝结构，揭示了银河系中心独特的星际环境，并提出了解决CMZ中的恒星形成和物质循环问题的新思路。
“星际压力茧”--受外部压力约束的云核，破茧成蝶孕育新生恒星
上海天文台与云南大学联合培养的研究生张朕荧基于ALMA对CMZ中3块分子云的观测数据，成功认证了800余个云核。研究团队利用甲醛（H2CO）和乙氰（CH3CN）分子谱线估算了部分云核的气体温度和速度、利用尘埃热辐射确定了这些云核的质量。这是目前样本量最大、分辨率最高的CMZ稠密云核样本，这些云核后续均可能开始坍缩形成恒星和行星系统，因此对于研究CMZ中恒星形成的初始阶段具有重要价值。
本研究团队深入分析了这批云核样本的动力学状态，发现外部压力的约束对于维持这些云核的动力学平衡至关重要。这一发现与太阳系周边环境形成鲜明对比：在太阳系周边的分子云（如猎户巨分子云、金牛巨分子云，乃至更远的一些大质量红外暗云）中，云核仅靠气体的自引力就已经处在束缚态，无需外部压力的作用。
此外，研究团队进一步构建了云核质量函数，发现其在约3至6倍太阳质量以上的大质量端呈现出与恒星初始质量函数一致的幂律，这与之前的研究结果存在显著差异，表明气体吸积和云核的进一步碎裂在云核质量函数到恒星初始质量函数的转化过程中具有重要作用。部分云核已观测到明显的外流特征，证明其中已经存在原始恒星。未来百万年时间尺度上，这些新生的原始恒星将会逐步启动核聚变反应，冲破“压力茧”的束缚，演化成为新一代的大质量星团成员。
该成果以“ALMA Observations of Massive Clouds in the Central Molecular Zone: External-pressure-confined Dense Cores and Salpeter-like Core Mass Functions“为题发表在The Astrophysical Journal，张朕荧为第一作者，吕行为通讯作者，上海天文台刘铁研究员、云南大学秦胜利教授等为合作者。
银河系中央分子带Sgr C云中的云核。红色代表来自云核的尘埃热辐射。绿色代表H2CO气体分布，主要来自云核内。蓝色代表SiO所示踪的外流，是恒星形成的典型特征。
“太空龙卷风”--非平衡态气体细丝，编织CMZ星际物质循环网
上海交通大学天文系博士后杨楷基于ALMA对CMZ中2块分子云的观测数据，在一氧化硅（SiO）和其他八种分子的辐射线上意外发现了一种全新的细长丝状结构，这类细丝结构是银河系中心区域物质循环的重要一环，被形象地称为“太空龙卷风”。它们具有以下独特的动力学和物理特征：1. 速度结构的一致性，但不同于任何已知的气体外流或喷流，表明其不同的形成机制；2. 与尘埃辐射不成协，意味着它们并非传统意义上为致密分子云核输送物质的结构；3. 处于非静力平衡，表明它们是短暂的动力学结构，并非持久的分子气体流；4. 由激波作用形成：由于SiO分子主要在高温高密度的激波区域中形成，且在细丝内部探测到由碰撞激发的甲醇（CH3OH）脉泽，研究团队推测，这些细丝是强烈激波作用下形成的瞬态结构。
本研究揭示了这些细丝结构可能是CMZ物质循环的重要一环：激波将SiO以及CH3OH、CH3CN和HC3N等复杂有机分子从尘埃表面释放到气相，形成了观测到的细丝结构，这些细丝结构因为处在静力不平衡状态而逐渐消散并将这些气态分子扩散到广阔的银心区域，最终分子会重新冻结回尘埃颗粒表面。这些细丝就像“太空龙卷风”，是短暂的剧烈气体流，能够高效地将物质重新分布到银河系中心的环境中。值得一提的是，这项研究通过比之前观测提升100倍的分辨率精准地描绘了激波的作用面，证实了激波在CMZ区域广泛地存在，为银河系中心的动力学和化学演化提供了新视角。这一成果以“ALMA observations of massive clouds in the central molecular zone: slim filaments tracing parsec-scale shocks”为题发表在Astronomy & Astrophysics，杨楷为第一作者，杨楷、吕行和上海交通大学天文系张沂忱教授为共同通讯作者。美国国家射电天文台和ALMA天文台以“天文学家发现银河系中心附近的‘太空龙卷风’”（Astronomers Discover “Space Tornados” Around the Milky Way’s Core）为题发表了在线新闻，详见：https://public.nrao.edu/news/astronomers-discover-space-tornadoes-around-the-milky-ways-core/ 及 https://www.almaobservatory.org/en/press-releases/alma-discovers-space-tornadoes-around-the-milky-ways-core/。
杨楷博士表示，“未来我们希望通过针对CMZ的更全面的巡天观测以及对已探测到细丝结构的SiO多条旋转跃迁线的观测，结合数值模拟，进一步对这些细丝的性质和起源进行精确研究，并确认这一现象是否普遍存在于银河系乃至其他星系的核心区域。”
银河系中央分子带20km/s云中的细丝结构。红色绿色分别代表由SiO和CH3OH探测到的细丝结构，蓝色代表稠密气体分布。
论文链接：
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad9f28
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2025/02/aa53191-24/aa53191-24.html
科学联系人：吕行， xinglu@shao.ac.cn
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