銀河系中心分子區(qū)前所未有的高清圖像

歐洲南方天文臺最近公布了一幅令人震撼的新圖像，它以前所未有的清晰度，展示了銀河系中心隱藏的復雜結構——巨大的氣體云、縱橫交錯的絲狀物質，以及孕育恒星的“原材料”。人類第一次能夠如此完整、細致地觀察銀河系最神秘、最極端的區(qū)域之一。

有史以來最大的ALMA圖像顯示了銀河系中心的分子氣體（來源：ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/S. Longmore et al. Background: ESO/D. Minniti et al.）

這套數(shù)據(jù)來自位于智利阿塔卡瑪沙漠的射電望遠鏡陣列——阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列（ALMA）。這個研究項目被稱為 ACES（ALMA Central molecular zone Exploration Survey - ALMA中心分子區(qū)巡天計劃），重點觀測的是銀河系中心的冷分子氣體。雖然這些氣體溫度很低，但它們卻決定著恒星是否會誕生。

所謂中心分子區(qū)（CMZ），可以理解為銀河系核心附近的一大片“恒星工廠”。那里的化學環(huán)境異常復雜,充滿了冰冷而致密的氣體和塵埃——這些物質正是恒星形成的原料。天文學家曾檢測到幾十種不同分子，不僅包括簡單的一氧化碳，還發(fā)現(xiàn)了甲醇、乙醇、丙酮等更復雜的有機分子。過去，科學家知道這些區(qū)域存在，但缺少足夠高分辨率的觀測，只能看到模糊輪廓。而現(xiàn)在，他們第一次幾乎看清了整個區(qū)域的冷氣體分布情況。

ACES項目觀測位置（來源：ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/S. Longmore et al. Stars in inset: ESO/D. Minniti et al. Milky Way: ESO/S. Guisard）

此次觀測生成的圖像，是迄今為止規(guī)模最大的ALMA銀河中心成像項目。它不僅讓科學家看到了銀河系核心的整體結構，還能進一步研究靠近銀河系中心超大質量黑洞附近，恒星是如何誕生、演化乃至死亡的。參與研究的德國歐洲南方天文臺（ESO）天文學家阿什利·巴恩斯Ashley Barnes表示：“這是一個極端而陌生的環(huán)境，我們的肉眼永遠無法直接看到它，但如今它以驚人的細節(jié)呈現(xiàn)在我們面前。”

編號為G0.253+0.016的分子云，上圖為詹姆斯·韋布望遠鏡圖像，下圖為疊加了 ACES HNCO 數(shù)據(jù)（紅色部分）的圖像（來源：ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/S. Longmore et al.）

在銀河系外圍，這種恒星形成機制已經(jīng)比較清楚。比方說在銀河系盤面上，距離我們太陽系并不遙遠的地方，分布著許多星云，它們被形象地比作“恒星育嬰室”，在這種溫和環(huán)境中，大量的氣體塵埃慢慢坍縮形成新的恒星。但銀河中心環(huán)境截然不同。那里氣體密度更高、輻射更強、磁場更復雜，還靠近超大質量黑洞，因此恒星形成過程可能完全不同。同時，銀河中心擁有銀河系中一些最龐大、最熾熱的恒星。這些恒星壽命通常很短，可能只存活幾百萬年，隨后就會以猛烈的超新星爆炸結束生命。英國利物浦約翰摩爾斯大學天體物理學教授、ACES項目負責人史蒂夫·朗莫爾（Steve Longmore）表示，“這種爆炸會向周圍空間釋放巨量能量，沖擊附近氣體云，從而影響下一代恒星是否形成”。因此，銀河中心實際上存在一種偏動蕩的循環(huán)：恒星誕生、演化、爆炸，然后再影響新的恒星形成。

不同分子譜線成圖（來源：ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/S. Longmore et al.）

科學家希望通過ACES項目回答一個重要問題：我們現(xiàn)有關于恒星形成的理論，在這種極端環(huán)境下是否仍然適用？這次觀測覆蓋的范圍約 650 光年，分辨率達 0.05 秒差距（約 0.16 光年）。在這片從天文學意義上講并不算太大的區(qū)域中，分布著大量氣體云和塵埃，它們環(huán)抱著銀河系中心那個質量相當于太陽 420 萬倍的超大質量黑洞。為了完成這次觀測，研究團隊利用 ALMA 首次對如此大范圍區(qū)域進行了系統(tǒng)掃描。最終形成的圖像并不是一次拍攝完成，而是由大量獨立觀測拼接而成，像巨大的宇宙拼圖。項目成員、ESO天文學家卡冊麗娜·艾美爾（Katharina Immer）表示，雖然研究團隊預期到該項目會產(chǎn)生豐富的數(shù)據(jù)，但真正完成拼接后，銀河中心展現(xiàn)出的復雜程度仍讓所有人感到震撼。科學家從觀測數(shù)據(jù)中檢測出 70 多種分子的譜線。精細的觀測精度也讓我們看到冷氣體會沿著細長的絲狀結構流動，就像河流匯聚形成湖泊一樣，最終聚集成高密度區(qū)域。隨著物質不斷積累，這些區(qū)域可能在引力作用下坍縮，逐漸形成新的恒星。

融合了多個巡天數(shù)據(jù)的銀河系中心分子區(qū)圖像。白色 - Spitzer GLIMPSE 4.5μm 數(shù)據(jù)；綠色 - Spitzer GLIMPSE 8μm 數(shù)據(jù)；黃色 - Spitzer MIPSGAL 24μm 數(shù)據(jù)；紅色 - MeerKAT+GBT 20cm 數(shù)據(jù)。中間白色勾線區(qū)域為ACES觀測范圍，放大圖像為 ACES HNCO(1-0) 峰值強度圖。（來源：ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/S. Longmore et al.）

研究論文

RESEARCH PAPERS

ACES項目成果已經(jīng)形成多篇研究論文，陸續(xù)發(fā)表于《皇家天文學會月刊》。

第一篇：綜述（ALMA Central Molecular Zone Exploration Survey (ACES) I：Overview）。介紹ACES項目是什么、為什么做、將解決什么問題，相當于整個系列的“說明書”。針對“銀河系中心擁有大量致密氣體，但恒星形成效率卻遠低于理論預測”這一核心問題，他們利用 ALMA 對銀河系中央分子區(qū)（CMZ）進行了迄今最大規(guī)模、高分辨率巡天。

第二篇：3mm連續(xù)譜成像（ALMA Central Molecular Zone Exploration Survey (ACES) II：3mm continuum images）。發(fā)布了迄今最完整的銀河系中心分子區(qū)3毫米高清連續(xù)譜成圖。連續(xù)譜主要反映了冷塵埃的分布（恒星形成原料）、HII區(qū)（年輕恒星）、同步輻射（高能過程）。

第三篇：HNCO 與 HCO? 分子譜線數(shù)據(jù)（ALMA Central molecular zone Exploration Survey (ACES) III：Molecular line data reduction and HNCO and HCO data）。這篇文章主要是關于銀河中心氣體動力學的研究。通過異氰酸分子（HNCO）和甲酰陽離子（HCO? ）可以追蹤致密冷氣體。ALMA達到約 0.2 km/s 的極高速度分辨率，足以看到：氣體旋轉、湍流、外流、甚至氣體落入黑洞的運動。

第四篇：中等帶寬譜線數(shù)據(jù)（ALMA Central Molecular Zone Exploration Survey (ACES)-IV：Data of the two intermediate-width spectral windows）。發(fā)布了更多分子數(shù)據(jù)，用于研究激波環(huán)境，判斷哪些區(qū)域經(jīng)歷碰撞，哪些地方受沖擊波影響，哪些區(qū)域更適合形成恒星。

第五篇：CS、SO、HC?N、CH?CHO、H40α 等分子數(shù)據(jù)（ALMA Central molecular zone Exploration Survey (ACES) V：CS(2-1), SO(2_3-1_2), CH3CHO(5_1,4-4_1,3), HC3N(11-10), and H40a lines data）。銀河中心不同區(qū)域在化學組成上差異巨大，也存在著豐富的復雜分子。該文章相當于繪制了銀河系中心的“化學地圖”。

第六篇：發(fā)現(xiàn)高度“絲狀化”的中心分子區(qū)（ALMA Central molecular zone Exploration Survey (ACES) V：CS(2-1), SO(2_3-1_2), CH3CHO(5_1,4-4_1,3), HC3N(11-10), and H40a lines data）。銀河中心氣體像一團不斷拉伸、纏繞的絲線網(wǎng)絡，與宇宙大尺度結構有幾分相似。較大的絲狀結構長度約 10 秒差距（約 32.6 光年），可能對應銀河系中心的軌道運動。較小尺度的絲狀結構長度約 1 秒差距（約 3.26 光年），遍布整個銀河系中心分子區(qū)，恒星可能沿這些“纖維”形成。

研究銀河中心不僅是為了理解恒星，更是為了理解整個星系的成長過程。因為許多天文學家認為，今天銀河系中心的環(huán)境，與宇宙早期年輕星系中的條件有很多相似之處——混亂、致密、劇烈。銀河系中心是唯一離我們足夠近的星系核，如此深入地研究有著重要意義。換句話說，遙遠星系中心發(fā)生的許多現(xiàn)象，人類難以直接觀測，而銀河系核心則像一個距離較近的實驗室，讓天文學家能夠研究星系內部最劇烈的物理過程。觀察銀河中心，某種程度上就像是在“回看”宇宙年輕時代發(fā)生過什么。

參考資料

Largest image of its kind shows hidden chemistry at the heart of the Milky Way（https://www.eso.org/public/news/eso2603/）