银河中的魔力转圈圈②纤维状结构问题来“搅局”_风闻

昨天我们说到赫歇尔（Herschel）空间望远镜于2009 发射升空，它经过近6个月的飞行，来到远在地月轨道之外的日地系统之第二个拉格朗日点（L2），开始在一个80万万公里大小的所谓“晕轨道”（Halo orbit）绕着L2点转圈，并且跟随L2绕太阳公转。这种轨道，即使在L2点看出去也不是自我重复的纤细的圈，更像是笼罩在L2点外的‘晕’。

注意，赫歇尔不但身材超过哈勃并且拥有更大的自由。所谓晕轨道是环绕L2，而不再以地球为中心，因此赫歇尔天文台不是地球的卫星而是太阳系行星类“天体”。由于红外波段的极端制冷需求，需要重氦使探测器温度降到小于千分之一K，接近宇宙的死寂温度。重氦是全世界稀缺的耗材。飞出地球引力系统的赫歇尔自带液氦，在这快递不及的远方，只坚持了不到三年。

这三年的科学观测对恒星形成领域产生了决定性的影响。在球状牛之外，赫歇尔揭示出恒星形成区普遍存在纤维状结构（filament）。而致密云核大多数出现在纤维状结构之中。纤维状结构普遍存在于宇宙中，分布之广远远超出各种牛状球。湍流、磁场、重力、激波、甚至随机运动都有可能催生纤维结构，因而对于恒星形成区的高密度纤维状结构的成因并没有共识。

三大问题未解，又多出一个“纤维状结构问题”。就业机会是不缺的。云核的转动方向是不是和纤维的延展方向有关联呢？纤维状结构中的湍流与尺度有何关系？这些关乎磁场、湍流和引力博弈的结果，也直接影响到云核成因。

图注：金牛座分子云一氧化碳（CO）分布，及分子外流、分子气泡影响湍流的示意图 （取自 Li et al., 2015,ApJ）

我们利用ALMA对猎户座分子云进行高角分辨率（约0.02光年）和高动态范围的的观测，获得了迄今为止最好灵敏度的大质量恒星形成区高密度气体天图 （Yue et al., 2020 RAA,见下图)。与先前大质量恒星形成区的绝大多数观测结果不同，我们发现猎户座致密气体由亚声速湍流主导，这挑战了必需要湍流的大质量恒星形成模型 (Tan & McKee,2004,ApJ)。

此前对于猎户座分子云的单口径观测，例如野边山望远镜，通常获取超声速湍流。而我们的工作揭示了线宽在高分辨率下明显缩小。据此，我们首次提出了湍流在不同尺寸上的分解，将大尺度上的湍流分解成了三个可观测的量，即小尺度湍流，气体宏观运动和中间缺失尺度速度弥散。这种分解，尽管只是经验性的，但提供了一个可检验的预言，即大质量致密云核中的超音速湍流普遍是空间分辨率较差造成的表象。欢迎广大同行用更多的ALMA观测去检查这一假设。

图注：猎户座分子云致密气体探针N2H+ (J=1-0)的强度图（彩色）。背景为8微米红外辐射。强度基于ALMA和Nobeyama的组合数据。此图比以往最类似的观测，例如Hacar et al. （2018.ApJ）, 要深3到5倍

ALMA高分辨和高动态范围的气体成像能力，使得同时获取云核的角动量和延展纤维结构的方向成为可能。我们使用机器学习的办法系统辨识猎户座星云中的动态准三维（这里的三个维度是两个空间方向加红移速度）纤维结构，发现在不同纤维汇聚处形成的云核更容易塌缩，更有可能催生新的太阳（Zhang et al., 2020,MNRAS）。

我们据此测出猎户座云核转动能只有其引力能的万分之四到百分之九。比较令人惊讶的是云核的转动方向完全独立于其所在纤维处的延展方向，不同于以往大多数此类研究的结果(Xu et al., 2020, ApJL)。这暗示了大质量恒星形成区云核角动量耗散的过程已经摆脱了磁场的影响，或者是演化过程具备更激烈的变化。

拉普拉斯的星云假说可以唯像的解释为什么太阳系行星都在一个平面上绕转。星云假说不能解释为什么太阳的角度量99%在行星，而太阳的转动无足轻重。我们的研究验证了过去30年对于云核角动量的基本理解，即在太阳开始形成以前，星际介质角动量已经耗散至无足轻重，太阳的转动另有来源。我们的研究进一步揭示了一个新现象，即类似太阳系这样的转动平面在其形成时可能已经独立于孕育它的纤维状结构。

这是理解星际气体聚合成星这一复杂过程的重要的一小步。

作者相关近期论文发表于：

美国《天体物理杂志快报》Xu et al. 2020, ApJL，DOI:10.3847/2041-8213/ab8ad7，作者：徐雪芳，李菂, 戴昱等

美国《天体物理杂志》Xu et al. 2020, ApJ，arXiv:2006.04309，作者：徐雪芳，李菂, 戴昱等

中国《天文与天体物理研究》 Yue et al. 2020, RAA，arXiv:2006.04168，作者：岳楠楠，李菂, 张其洲等

英国《皇家天文学会月报》 Zhang et al. 2020, MNRAS accepted, arXiv:2006.13410, 作者：张超，任志远, 吴京文等

参考文献：

Alves, J.F., Lada, C.J., & Lada, E.A. Internal structure of a cold dark molecular cloud inferred from the extinction of background starlight. 2001, Nature, 409, 159

Barnard E.E. On a nebulous groundwork in the constellation Taurus. ApJ, 1907, 25:218-225.

Barnard E.E. On the dark markings of the sky, with a catalogue of 182 such objects. ApJ, 1919, 49:1-24.

Hacar, A., Tafalla, M., Forbrich, J., et al. An ALMA study of the Orion Integral Filament. I. Evidence for narrow fibers in a massive cloud. 2018, ApJ, 610, A77

Hollenbach, D., Salpeter, E.E. Surface Recombination of Hydrogen Molecules, 1971, ApJ, 163, 155

Li, H.-X., Li, D., Qian L. et al. 2015, Outflows and Bubbles in Taurus: Star-formation Feedback Sufficient to Maintain Turbulence, ApJS, 219, 20

Tan, J. C., & McKee, C. F. 2004, The Formation of the First Stars. I. Mass Infall Rates, Accretion Disk Structure, and Protostellar Evolution, ApJ, 603, 383

Xu, X., Li, D., Dai, Y.S., et al. Independent Core Rotation in Massive Filaments in Orion. 2020, ApJL, 894, L20

Xu, X., Li, D., Dai, Y.S., et al. Rotation of Two Micron All Sky Survey Clumps in Molecular Clouds. 2020, ApJ, arXiv:2006.04309

Yue, N., Li, D., Zhang, Q., et al. Resolution-dependent Subsonic Non-thermal Line Dispersion Revealed by ALMA, 2020, accepted by RAA, arXiv:2006.04168

Zuo P., Li D., Peek J.E. G., et al. Catching the Birth of a Dark Molecular Cloud for the First Time. ApJ, 2018, 867:13.

作者简介

李菂，国家天文台研究员，从事天体物理和天文技术研究，撰写关于猎户座大质量“宁静”云核的系列论文，在美国天体物理杂志（ApJ）发表。