大到星系，小到一顆恆星，宇宙萬物被「絲狀氣體」網絡連通了！

2020-10-18 博科園

宇宙星系中的分子氣體被組織成一個層次結構，巨型分子氣雲中的分子物質，沿著錯綜複雜的絲狀氣體通道網絡向氣體和塵埃的擁堵中心移動，在那裡它被壓縮成恆星和行星，就像世界各地數以百萬計的人通勤到城市工作一樣。為了更好地理解這一過程，由馬克斯·普朗克天文學研究所(MPIA)喬納森·亨肖領導的一個天文學家小組：

測量了從星系尺度流出的氣體運動，一直到單個恆星形成的氣團尺度。研究結果表明，流經每個尺度的氣體是動態相互聯繫的：雖然恆星和行星的形成發生在最小尺度上，但這個過程是由始於星系尺度物質流的級聯控制，其研究研究成果發表在《自然·天文學》期刊上。星系中的分子氣體由物理機制啟動，如星系旋轉、超新星爆炸、磁場、湍流和重力，塑造了氣體結構。

理解這些運動如何直接影響恆星和行星的形成很困難，因為這需要量化空間尺度上巨大範圍內的氣體運動，然後將這種運動與觀察到的物理結構聯繫起來。現代天體物理設備現在例行地繪製大片天空的地圖，一些地圖包含數百萬像素，每張地圖都有數百到數千個獨立的速度測量。因此，測量這些運動在科學和技術上都是具有挑戰性的。為了應對這些挑戰，研究小組開始利用對銀河系和附近星系中氣體的觀測。

絲狀氣體網絡

測量各種不同環境中的氣體運動，通過測量由光源和觀察者之間相對運動引起分子發出光的頻率明顯變化來檢測這些運動，這種現象被稱為都卜勒效應。通過應用設計的新穎軟體，研究小組能夠分析數百萬的測量結果，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。研究發現，冷分子氣體運動似乎在速度上波動，這讓人想起海洋表面的波浪。

這些波動代表氣體運動。波動本身並不特別令人驚訝，因為研究人員知道氣體在移動。研究的合著者史蒂夫·朗莫爾(Steve Longmore)說：讓我們驚訝的是，這些不同區域的速度結構看起來是如此相似，無論我們是觀察整個星系，還是我們銀河系內的單個氣體雲，結構都大致相同。為了更好地了解氣流性質，研究小組選擇了幾個區域進行仔細檢查，使用先進統計技術來尋找波動之間的差異。

通過結合各種不同的測量，研究人員能夠確定速度波動是如何依賴於空間尺度的。分析技術的一個巧妙特點是對周期性很敏感，如果數據中有重複的圖案，比如沿著螺旋臂等間距分布的巨型分子雲，可以直接識別圖案重複的尺度。研究確定了三條絲狀氣體通道，儘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構，就像串起來的珠子一樣，無論是沿著螺旋臂的巨大分子雲，還是沿著絲狀物形成恆星的微小「核心」。

分子雲的研究發現

研究發現，與等間距結構相關的速度波動，都顯示出一種獨特的模式。這些波動看起來像是沿著細絲頂部振蕩的波，它們有一個明確的振幅和波長。大尺度上的巨型分子雲或小尺度上單個恆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定的結果。這些振蕩流是氣體沿著螺旋臂流動或向密度峰值匯聚的特徵，為恆星的形成提供了新燃料。

相反，研究小組發現，在整個巨型分子雲中測量到的速度波動，在整個雲和其中的微小核心之間的尺度上，沒有顯示出明顯的特徵尺度。在巨型分子雲中看到的密度和速度結構是『無尺度』的，因為產生這些結構的湍流形成了一個混沌級聯，當放大時會顯示出越來越小的波動。這種無尺度行為發生在兩個定義明確的極端之間：整個氣體雲的大尺度，以及形成核心的小尺度。

把巨大分子雲想像成由高速公路連接起來的等間距特大城市。從鳥瞰圖來看，這些城市的結構，以及穿行其中的汽車和人，顯得混亂和無序。然而，當放大個別道路時，會看到來自四面八方的人，有序地進入他們各自的寫字樓，寫字樓代表著恆星和行星誕生密集而寒冷的氣體核心。

博科園｜研究/來自：馬克斯·普朗克學會

參考期刊《自然天文學》

DOI: 10.1038/s41550-020-1126-z

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