春節馬上就要到了，掛在大街小巷裡的紅燈籠、紅對聯讓年味越來越足，而作為中國傳統民俗文化活動之一的舞龍讓節日的氣氛更加歡騰熱鬧。黑夜裡，五彩繽紛的龍燈點亮，隨著熱鬧的鑼鼓樂在空中翻騰舞蹈，盡顯人民的歡樂喜悅和對新年的美好祝福。
而就在不久前，天文學家在銀河中也發現一條“巨龍”，並且正在甦醒舞動。要說這條巨龍，真可謂“神龍見首不見尾”，它就隱藏在太陽系附近的加利福利亞巨分子云中，橫跨天區將近6度。正因為它如此巨大，此前的研究“只見樹木不見森林”，只關注了巨龍的只麟片角，沒有獲得整體的認識。近期，銀河畫卷團隊基於大尺度CO巡天資料，首次證認了巨龍的身份和特徵。接下來就讓我們一探究竟。
在之前的一篇科普文章中，我們曾介紹過分子云中的“纖維豪門”：基於國際領先的銀河畫卷巡天，紫臺的科研團隊發現，在銀河系分子云中，10%左右的分子云呈現出纖維狀形態，但它們卻佔據了90%以上的分子氣體質量。
佔據分子氣體主體地位的纖維狀分子云在銀河系結構與恆星形成中也扮演著至關重要的角色。在大的尺度上，超過100pc（pc是天文中常用的距離單位；1pc約等於3.26光年或3.0857×10¹³千米）的大尺度纖維狀分子云被人們視作銀河系旋臂的“骨骼”，撐起了整個銀河系（星辰海洋中的超級“海怪”）；在小的尺度上，纖維狀結構連線了分子云的坍縮到最終碎化形成緻密雲核－恆星形成的基本單元。由此可見，纖維狀分子云不僅僅是“豪門”，而且“位高權重”。自然而然地，纖維狀分子云成為了當前天文研究中的前沿熱點。
圖 1：上圖為長度為80pc的巨纖維狀分子云“Nessie”的紅外影象[1]；中圖是“Nessie”在紅外圖上的延展，被稱為“Nessie Optimistic”；下圖是“Nessie”（黑色粗線）和“Nessie Optimistic”（白色弱線）在盾牌－半人馬氣體旋臂上的位置[2]。
01潛龍勿用
對於纖維狀分子云的認識與理解總體上仍處於起步階段。雖然國際上中遠紅外望遠鏡（如Herschel空間天文臺和Planck衛星）的成像巡天揭示出了纖維狀分子云的普遍性和複雜結構，但由於使用的是塵埃連續譜探針，看到的主要是分子云中的塵埃成分，是二維靜態影象，缺乏分子氣體的運動學資訊。要了解纖維狀結構的形成機制、演化過程中的動力學性質、分子云核的質量吸積等關鍵物理過程，亟需相應的分子氣體的頻譜巡天。正因如此，“卷出新高度”的銀河畫卷巡天為研究纖維狀分子云提供了高質量的資料來源和難得的契機！
圖 2：Herschel空間天文臺拍攝的Polaris分子云的250微米紅外影象（左圖），以及在其中證認的纖維狀結構（右圖），揭示了纖維狀結構的普遍性和複雜性[3]，但此類塵埃連續譜巡天缺乏氣體動力學資訊。
02見龍在田
近期，銀河畫卷團隊針對加利福利亞巨分子云的觀測取得了重要進展。加利福尼亞巨分子云是太陽系附近（大約500pc）新近證認的一個巨分子云，因為其中的亮星雲NGC1499形似美國加利福利亞州而得名。與著名的獵戶座A（Orion A）巨分子云相比，加利福尼亞巨分子云具有與其相當的尺度和質量，但過去測量到的整體恆星形成率卻要低一個量級，因此也被稱作“沉睡的巨物”[4]。囿於有限的視場，此前國際上陸續進行的氣體觀測僅關注了該巨分子云中的區域性區域，沒有獲得整體的認識。
圖 3：左圖來自Herschel和Planck衛星的加利福利亞巨分子云250/350/500微米遠紅外影象[4]。右圖為形似美國加利福利亞州的NGC1499亮星雲的光學影象 │ 圖源：Markus Noller
基於銀河畫卷CO及其同位素分子譜線的資料，銀河畫卷團隊在加利福利亞巨分子云中首次證認了一個長度接近80pc、猶如一條蜿蜒長龍的纖維狀結構，屬於國際上已知纖維狀分子云中的大塊頭（見圖4）。
¹³CO速度圖展示了垂直於該纖維狀結構的系統速度梯度，經分析，歸結為由近鄰星協的強烈反饋所造成。該結果為大尺度纖維狀分子云形成的外部激波壓縮機制提供了有力的觀測證據（一個待續的故事）。此外，團隊利用¹²CO在該纖維狀分子云上證認出約20個外流候選體，利用C¹⁸O 證認出近百個處於引力束縛狀態且不斷吸積物質的緻密雲核。新的發現揭示了該纖維狀分子云中劇烈的早期恆星形成活動，估算出更高的恆星形成率，由此改變了人們對加利福利亞州巨分子云“沉睡”的原有判斷。
圖 4：“銀河畫卷”的觀測影象。由上到下，依次為（1）加利福利亞巨分子云的CO同位素積分強度圖；（2）證認的加利福利亞大尺度纖維狀分子云的影象，其中的方框標示了以往研究觀測的區域性區域；圖中最明亮的位置是一個年輕星團；（3）加利福利亞纖維狀分子云的¹³CO速度圖，展現了垂直於該纖維狀結構的系統速度梯度；（4）透過¹²CO搜尋獲得的外流（紅/藍色箭頭所示）和透過C¹⁸O觀測證認的緻密雲核（維裡引數均小於2.0）。[5]
03飛龍在天
有意思的是，CO位置－速度圖展示了沿著纖維狀結構劇烈的波動。這種波動源於纖維狀分子云中雲核吸積導致的物質傳輸。在年輕星團和一些大質量雲核的位置，這種波動更為劇烈，反映了更強烈的吸積活動。類似的波動影象在一些中小尺度的纖維狀分子云中有過觀測，但在100pc量級的巨纖維狀分子云中展現出如此連續壯觀的波動影象，實為罕見，可以讓我們更好地理解巨纖維狀分子云中的物質傳輸與吸積模式以及其中的恆星形成。
圖 5:“銀河畫卷”的觀測獲得的沿著加利福利亞巨纖維狀分子云的¹²CO（灰度度）¹³CO（綠色輪廓線）C¹⁸O（紅色輪廓線）位置－速度圖，展示了波動的影象。圖中的黑色圓圈代表C¹⁸O雲核，藍色線示意了不斷變化的速度梯度。[5]
圖 6：左圖為纖維狀分子云的演化示意圖（按時間順序從上到下）。作為恆星形成的基本單元，分子云核會在纖維狀結構上形成、演化，並最終形成恆星；一些大質量雲核處可能會形成星團[1]；而隨著雲核的形成與演化，纖維狀結構會逐漸碎裂。右圖為雲核吸積物質的示意圖。雲核的吸積會導致纖維狀結構在密度和速度上的波動。[6]
加利福利亞巨纖維狀分子云，一條因恆星形成而“甦醒”的巨龍，也因恆星形成而“波動起舞”。目前銀河畫卷團隊正瞄準銀道面的大樣本纖維狀分子云，不斷開展系統的觀測研究。相信越來越多的巨龍會被發現，也期待這些巨龍帶給我們更多精彩的故事。
參考文獻
[1]. Jackson, J. M., et al. The "Nessie" Nebula: Cluster Formation in a Filamentary Infrared Dark Cloud, 2010, The Astrophysical Journal, 719, 185
[2]. Goodman, A. A., et al. The Bones of the Milky Way, 2014, The Astrophysical Journal, 797, 93
[3]. André, P., et al. From Filamentary Networks to Dense Cores in Molecular Clouds: Toward a New Paradigm for Star Formation, 2014, in Protostars and Planets VI, 27
[4]. Lada, C. J., Lewis, J. A., Lombardi, M., Alves, J. HP2 survey. III. The California Molecular Cloud: A sleeping giant revisited, 2017, Astronomy and Astrophysics, 606, 100
[5]. Guo, W., et al. A Wide-field CO Survey toward the California Molecular Filament, 2021, The Astrophysical Journal, 921, 23
[6]. Hacar, A., & Tafalla, M. Dense core formation by fragmentation of velocity-coherent filaments in L1517, 2011, Astronomy and Astrophysics, 533, 34
作者簡介
陳學鵬
中國科學院紫金山天文臺銀河系氣體分佈與性質研究團組首席研究員、博士生導師。
輪值主編：陳學鵬
編輯：王科超
