上海天文台联合加州大学伯克利分校的研究团队，开展了迄今为止最全面的关于纤维状分子云内部气体动力学、湍流与磁场之间复杂物理相互作用的研究。该团队利用高分辨率数值模拟，追踪了从众多纤维状子结构组成的细长纤维状分子云的形成，到稠密云核诞生及其后续演化的完整演化路径。相关成果发表于《天体物理学杂志》。

研究团队采用具备自适应网格细化功能的多物理代码ORION2，对中等强度磁场和马赫数为10的超音速湍流环境进行了大规模模拟。模拟区域长度为4.55秒差距（pc）。借助自适应细化，最高分辨率达到458天文单位（AU），使模拟在空间尺度上具有三个数量级的动态范围。这使模拟能够捕捉到一个长达4.4 pc的大质量纤维状云的形成，分辨出中值半高全宽（FWHM）为0.03–0.04 pc的纤维状子结构的形成，并追踪沿这些子结构发生的云核形成过程（图1）。

图1. 模拟中得到的一个长4.4 pc、由众多纤维状子结构组成的纤维状云的柱密度图。平均磁场方向垂直于图像平面。

在引力被激活之前，由于超音速湍流的作用，整个模拟区域内已存在大量低密度、亚秒差距尺度的纤维状结构（蓝色）。这些结构被大尺度流动推挤至汇聚区域。主纤维内部的低密度子纤维相互碰撞并合并，变得更为致密（绿色）且更长。此后，部分极密的子纤维变得不稳定，沿子纤维的不同位置或在其交汇处碎裂为致密核心（红色）。

这一模拟表明纤维状子结构是纤维状云的构建单元。研究团队发现，纤维状子结构首先通过超音速湍流在星际空间中形成。这些短而低密度的纤维状结构随后被大尺度湍流流场推挤到一起，形成长纤维状云。在这一组装过程中，原本低密度的结构此时已成为较大云的纤维状子结构，并且彼此合并，变得更长、质量更大。由于磁场的存在，它们在变为超临界之前保持稳定。稠密云核优先在子纤维结构碰撞和合并的位置形成。随着时间的推移，云核之间也可以相互合并，为质量的快速增长提供了高效通道。在更致密、更拥挤的环境中，这类合并可能是组装大质量云核并形成大质量恒星的主导通道（图2）。

图2. 体数密度n(H)（cm⁻³）展示：（a）两个子纤维结构碰撞后形成的稠密云核；（b）旋转云核的螺旋磁场结构；（c）两个稠密云核的合并。蓝线为磁力线。

一个云核在模拟中较为稀疏的区域演化。通过与相连的子纤维及邻近气体结构的相互作用与并合，该云核获得角动量并开始旋转。随后，这个旋转云核经历快速引力坍缩，形成一个扁平状核心，其旋转将磁场扭转为螺旋结构。

超音速湍流和磁场在早期薄而低密度纤维状结构的形成中起着关键作用。磁场对于正在形成的长纤维结构的稳定性具有重要意义。一旦子纤维结构通过合并变为超临界，引力便占据主导并导致云核形成。云核合并会导致快速旋转，并为双星系统的形成提供有利条件。

该研究的第一作者兼通讯作者为上海天文台研究员Pak-Shing Li。合作者为加州大学伯克利分校的Christopher McKee教授和Richard Klein教授。

论文链接：https://doi.org/10.3847/1538-4357/aea6cb

科学联系人: LI Pak-Shing pakshingli@shao.ac.cn