銀河中的魔力轉圈圈②纖維狀結構問題來“攪局”_風聞

昨天我們説到赫歇爾（Herschel）空間望遠鏡於2009 發射升空，它經過近6個月的飛行，來到遠在地月軌道之外的日地系統之第二個拉格朗日點（L2），開始在一個80萬萬公里大小的所謂“暈軌道”（Halo orbit）繞着L2點轉圈，並且跟隨L2繞太陽公轉。這種軌道，即使在L2點看出去也不是自我重複的纖細的圈，更像是籠罩在L2點外的‘暈’。

注意，赫歇爾不但身材超過哈勃並且擁有更大的自由。所謂暈軌道是環繞L2，而不再以地球為中心，因此赫歇爾天文台不是地球的衞星而是太陽系行星類“天體”。由於紅外波段的極端製冷需求，需要重氦使探測器温度降到小於千分之一K，接近宇宙的死寂温度。重氦是全世界稀缺的耗材。飛出地球引力系統的赫歇爾自帶液氦，在這快遞不及的遠方，只堅持了不到三年。

這三年的科學觀測對恆星形成領域產生了決定性的影響。在球狀牛之外，赫歇爾揭示出恆星形成區普遍存在纖維狀結構（filament）。而緻密雲核大多數出現在纖維狀結構之中。纖維狀結構普遍存在於宇宙中，分佈之廣遠遠超出各種牛狀球。湍流、磁場、重力、激波、甚至隨機運動都有可能催生纖維結構，因而對於恆星形成區的高密度纖維狀結構的成因並沒有共識。

三大問題未解，又多出一個“纖維狀結構問題”。就業機會是不缺的。雲核的轉動方向是不是和纖維的延展方向有關聯呢？纖維狀結構中的湍流與尺度有何關係？這些關乎磁場、湍流和引力博弈的結果，也直接影響到雲核成因。

圖注：金牛座分子云一氧化碳（CO）分佈，及分子外流、分子氣泡影響湍流的示意圖 （取自 Li et al., 2015,ApJ）

我們利用ALMA對獵户座分子云進行高角分辨率（約0.02光年）和高動態範圍的的觀測，獲得了迄今為止最好靈敏度的大質量恆星形成區高密度氣體天圖 （Yue et al., 2020 RAA,見下圖)。與先前大質量恆星形成區的絕大多數觀測結果不同，我們發現獵户座緻密氣體由亞聲速湍流主導，這挑戰了必需要湍流的大質量恆星形成模型 (Tan & McKee,2004,ApJ)。

此前對於獵户座分子云的單口徑觀測，例如野邊山望遠鏡，通常獲取超聲速湍流。而我們的工作揭示了線寬在高分辨率下明顯縮小。據此，我們首次提出了湍流在不同尺寸上的分解，將大尺度上的湍流分解成了三個可觀測的量，即小尺度湍流，氣體宏觀運動和中間缺失尺度速度彌散。這種分解，儘管只是經驗性的，但提供了一個可檢驗的預言，即大質量緻密雲核中的超音速湍流普遍是空間分辨率較差造成的表象。歡迎廣大同行用更多的ALMA觀測去檢查這一假設。

圖注：獵户座分子云緻密氣體探針N2H+ (J=1-0)的強度圖（彩色）。背景為8微米紅外輻射。強度基於ALMA和Nobeyama的組合數據。此圖比以往最類似的觀測，例如Hacar et al. （2018.ApJ）, 要深3到5倍

ALMA高分辨和高動態範圍的氣體成像能力，使得同時獲取雲核的角動量和延展纖維結構的方向成為可能。我們使用機器學習的辦法系統辨識獵户座星雲中的動態準三維（這裏的三個維度是兩個空間方向加紅移速度）纖維結構，發現在不同纖維匯聚處形成的雲核更容易塌縮，更有可能催生新的太陽（Zhang et al., 2020,MNRAS）。

我們據此測出獵户座雲核轉動能只有其引力能的萬分之四到百分之九。比較令人驚訝的是雲核的轉動方向完全獨立於其所在纖維處的延展方向，不同於以往大多數此類研究的結果(Xu et al., 2020, ApJL)。這暗示了大質量恆星形成區雲核角動量耗散的過程已經擺脱了磁場的影響，或者是演化過程具備更激烈的變化。

拉普拉斯的星雲假説可以唯像的解釋為什麼太陽系行星都在一個平面上繞轉。星雲假説不能解釋為什麼太陽的角度量99%在行星，而太陽的轉動無足輕重。我們的研究驗證了過去30年對於雲核角動量的基本理解，即在太陽開始形成以前，星際介質角動量已經耗散至無足輕重，太陽的轉動另有來源。我們的研究進一步揭示了一個新現象，即類似太陽系這樣的轉動平面在其形成時可能已經獨立於孕育它的纖維狀結構。

這是理解星際氣體聚合成星這一複雜過程的重要的一小步。

作者相關近期論文發表於：

美國《天體物理雜誌快報》Xu et al. 2020, ApJL，DOI:10.3847/2041-8213/ab8ad7，作者：徐雪芳，李菂, 戴昱等

美國《天體物理雜誌》Xu et al. 2020, ApJ，arXiv:2006.04309，作者：徐雪芳，李菂, 戴昱等

中國《天文與天體物理研究》 Yue et al. 2020, RAA，arXiv:2006.04168，作者：嶽楠楠，李菂, 張其洲等

英國《皇家天文學會月報》 Zhang et al. 2020, MNRAS accepted, arXiv:2006.13410, 作者：張超，任志遠, 吳京文等

參考文獻：

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.

作者簡介

李菂，國家天文台研究員，從事天體物理和天文技術研究，撰寫關於獵户座大質量“寧靜”雲核的系列論文，在美國天體物理雜誌（ApJ）發表。