宇宙星系中的分子氣體被組織成一個(gè)層次結(jié)構(gòu)，巨型分子氣云中的分子物質(zhì)，沿著錯(cuò)綜復(fù)雜的絲狀氣體通道網(wǎng)絡(luò)向氣體和塵埃的擁堵中心移動(dòng)，在那里它被壓縮成恒星和行星，就像世界各地?cái)?shù)以百萬(wàn)計(jì)的人通勤到城市工作一樣。

為了更好地理解這一過(guò)程，由馬克斯·普朗克天文學(xué)研究所(MPIA)喬納森·亨肖領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)天文學(xué)家小組：

測(cè)量了從星系尺度流出的氣體運(yùn)動(dòng)，一直到單個(gè)恒星形成的氣團(tuán)尺度。研究結(jié)果表明，流經(jīng)每個(gè)尺度的氣體是動(dòng)態(tài)相互聯(lián)系的：雖然恒星和行星的形成發(fā)生在最小尺度上，但這個(gè)過(guò)程是由始于星系尺度物質(zhì)流的級(jí)聯(lián)控制，其研究研究成果發(fā)表在《自然·天文學(xué)》期刊上。星系中的分子氣體由物理機(jī)制啟動(dòng)，如星系旋轉(zhuǎn)、超新星爆炸、磁場(chǎng)、湍流和重力，塑造了氣體結(jié)構(gòu)。

理解這些運(yùn)動(dòng)如何直接影響恒星和行星的形成很困難，因?yàn)檫@需要量化空間尺度上巨大范圍內(nèi)的氣體運(yùn)動(dòng)，然后將這種運(yùn)動(dòng)與觀察到的物理結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)?，F(xiàn)代天體物理設(shè)備現(xiàn)在例行地繪制大片天空的地圖，一些地圖包含數(shù)百萬(wàn)像素，每張地圖都有數(shù)百到數(shù)千個(gè)獨(dú)立的速度測(cè)量。因此，測(cè)量這些運(yùn)動(dòng)在科學(xué)和技術(shù)上都是具有挑戰(zhàn)性的。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究小組開(kāi)始利用對(duì)銀河系和附近星系中氣體的觀測(cè)。

絲狀氣體網(wǎng)絡(luò)

測(cè)量各種不同環(huán)境中的氣體運(yùn)動(dòng)，通過(guò)測(cè)量由光源和觀察者之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起分子發(fā)出光的頻率明顯變化來(lái)檢測(cè)這些運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象被稱為多普勒效應(yīng)。通過(guò)應(yīng)用設(shè)計(jì)的新穎軟件，研究小組能夠分析數(shù)百萬(wàn)的測(cè)量結(jié)果，這種方法使研究人員能夠以一種新的方式可視化星際介質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，冷分子氣體運(yùn)動(dòng)似乎在速度上波動(dòng)，這讓人想起海洋表面的波浪。

這些波動(dòng)代表氣體運(yùn)動(dòng)。波動(dòng)本身并不特別令人驚訝，因?yàn)檠芯咳藛T知道氣體在移動(dòng)。研究的合著者史蒂夫·朗莫爾(Steve Longmore)說(shuō)：讓我們驚訝的是，這些不同區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)看起來(lái)是如此相似，無(wú)論我們是觀察整個(gè)星系，還是我們銀河系內(nèi)的單個(gè)氣體云，結(jié)構(gòu)都大致相同。為了更好地了解氣流性質(zhì)，研究小組選擇了幾個(gè)區(qū)域進(jìn)行仔細(xì)檢查，使用先進(jìn)統(tǒng)計(jì)技術(shù)來(lái)尋找波動(dòng)之間的差異。

通過(guò)結(jié)合各種不同的測(cè)量，研究人員能夠確定速度波動(dòng)是如何依賴于空間尺度的。分析技術(shù)的一個(gè)巧妙特點(diǎn)是對(duì)周期性很敏感，如果數(shù)據(jù)中有重復(fù)的圖案，比如沿著螺旋臂等間距分布的巨型分子云，可以直接識(shí)別圖案重復(fù)的尺度。研究確定了三條絲狀氣體通道，盡管追蹤的尺度差異很大，但它們似乎都顯示出沿著頂部大致等距分布的結(jié)構(gòu)，就像串起來(lái)的珠子一樣，無(wú)論是沿著螺旋臂的巨大分子云，還是沿著絲狀物形成恒星的微小“核心”。

分子云的研究發(fā)現(xiàn)

研究發(fā)現(xiàn)，與等間距結(jié)構(gòu)相關(guān)的速度波動(dòng)，都顯示出一種獨(dú)特的模式。這些波動(dòng)看起來(lái)像是沿著細(xì)絲頂部振蕩的波，它們有一個(gè)明確的振幅和波長(zhǎng)。大尺度上的巨型分子云或小尺度上單個(gè)恒星形成核心的周期性間隔，很可能是它們母絲變得引力不穩(wěn)定的結(jié)果。這些振蕩流是氣體沿著螺旋臂流動(dòng)或向密度峰值匯聚的特征，為恒星的形成提供了新燃料。

相反，研究小組發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)巨型分子云中測(cè)量到的速度波動(dòng)，在整個(gè)云和其中的微小核心之間的尺度上，沒(méi)有顯示出明顯的特征尺度。在巨型分子云中看到的密度和速度結(jié)構(gòu)是‘無(wú)尺度’的，因?yàn)楫a(chǎn)生這些結(jié)構(gòu)的湍流形成了一個(gè)混沌級(jí)聯(lián)，當(dāng)放大時(shí)會(huì)顯示出越來(lái)越小的波動(dòng)。這種無(wú)尺度行為發(fā)生在兩個(gè)定義明確的極端之間：整個(gè)氣體云的大尺度，以及形成核心的小尺度。

把巨大分子云想象成由高速公路連接起來(lái)的等間距特大城市。從鳥(niǎo)瞰圖來(lái)看，這些城市的結(jié)構(gòu)，以及穿行其中的汽車和人，顯得混亂和無(wú)序。然而，當(dāng)放大個(gè)別道路時(shí)，會(huì)看到來(lái)自四面八方的人，有序地進(jìn)入他們各自的寫(xiě)字樓，寫(xiě)字樓代表著恒星和行星誕生密集而寒冷的氣體核心。

博科園｜研究/來(lái)自：馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)

參考期刊《自然天文學(xué)》

DOI: 10.1038/s41550-020-1126-z

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