星辰海洋中的超级“水怪”

有人的地方就有传说，有大湖的地方就可能有水怪。传说了1500多年之久的尼斯湖水怪，是地球上最神秘也最吸引人的谜之一。今天，我们要带你认识一下星辰海洋中的超级“水怪”。

电影“尼斯湖水怪”海报 | 图源：网络

恒星从哪里来：分子云

恒星从哪里来？人类历史从来没有停止过对这一古老而神秘问题的思考，但直到十八世纪关于太阳系起源的康德-拉普拉斯星云假说，才算真正打开了人类探索恒星与行星系统形成与演化的大门。两百多年过去，天文学现在已明确：恒星形成于分子云。分子云中的致密区域发生引力塌缩，最终形成恒星。这是自上世纪六十年代发现星际分子后天文学最重要的研究成果之一。

分子云就是星际分子气体的聚集体。它们是星系中温度最低、尺度最广、质量最大的天体。分子云的主要成分是氢分子，还包含少量的其它分子以及尘埃。分子云中的尘埃会吸收其背后的星光，从而遮蔽部分天空造成“黑影”。不过，要直接看到分子云还得依靠分子云自身的辐射。虽然在典型分子云所处的物理条件下氢分子几乎没有可观测的辐射，但分子云中丰度仅次于氢分子的一氧化碳及其同位素分子（CO，13CO，C18O）在毫米波段有很强的辐射，因此可以通过这些分子气体分布的探测看到分子云。另外，其中尘埃的热辐射峰值落在远红外波段，因此在远红外波段也可以看到分子云。

暗分子云LDN1709的光学图像（左，黑影）、13CO气体辐射（中）和250微米尘埃热辐射（右）。| 图源：DSS / FCRAO / Herschel

上世纪30年代开始，天文学家就已经注意到许多分子云呈现长条状，即纤维状结构（filament），但是并没有引起足够的重视。主要原因是受望远镜空间分辨率和灵敏度的限制，早期观测往往只能看到分子云密度最高的部分，一般表现为小尺度的近圆形结构，即团块（clump）和云核（core）。在经典恒星形成理论中，分子云的形状并不是非常重要，因此常常被假定为椭球体，这也是理论上最容易处理的形状。

大批“水怪”浮现：纤维状结构

2009年由欧空局ESA联合美国NASA发射的3.5米口径Herschel空间天文台可以在红外波段约70到500微米的波长范围内对天空拍照。得益于前所未有的分辨率和灵敏度，Herschel 可以探测到分子云中许多非常暗弱的结构。如果说光学镜头下的分子云就像一片深不见底的黑色湖泊，那么红外镜头则给我们展示了暗流涌动的湖底真面目。

Herschel三色（蓝-70微米，绿-160微米，红-250微米）合成的蛇夫座分子云中纵横交错的纤维状结构。| 图源https://www.herschel.caltech.edu/

Herschel的观测刷新了我们对分子云的认识：在Herschel的红外镜头里，几乎所有分子云中都密布着蜿蜒曲折的纤维状结构，如同无处不在的“水怪” 。天文学家们不得不重新思考恒星形成理论，必须引入更复杂的物理模型，使得分子云中首先能够形成网状的纤维状结构。从某种程度上说，这一大批“水怪”的出现把恒星形成研究带入了一个新的时代！

如今，纤维状结构已经是恒星形成研究中的热点。太阳系附近分子云中的“水怪”容易观测，也研究的最多。它们大多体型较小，一般体长几光年到几十光年（1光年约等于9.5万亿千米），宽度通常小于1光年。那么，还有更大的“水怪”吗？最大可以长到多大呢？

超级“水怪”：巨型纤维状结构

“尼斯湖水怪（Nessie）”纤维状分子云。| 图源：见图中标注

2010年，天文学家注意到一只细细长长的“水怪”，给它取了一个令人印象深刻的昵称“Nessie”，因为它长的很像传说中的尼斯湖水怪[1]。“Nessie”身形妖娆，长约260光年，但宽度却不到2光年，典型的水蛇腰。而且它的密度非常高，在8微米照片上依然是一道黑色的闪电。

更令人惊奇的是，后续的研究发现[2]，之前观测到的“Nessie”只是冰山一角，真实的“Nessie”可能长达惊人的1400光年！而且，这样的“Nessie”并非个例。到目前为止，天文学家已经找到了几十个长度从30光年到1600光年不等的超级“水怪”，它们很可能和银河系旋臂结构相关，甚至有科学家提出新观点，认为“Nessie”代表了一类银河系旋臂深处长而致密的纤维状结构。巨大的“尼斯湖水怪”就像印度神话中支撑大地的巨蛇舍沙一样，作为旋臂的“骨骼”撑起了整个银河系！

揭秘超级“水怪”

人们对新发现的东西总是充满好奇，总希望它们能在各方面与众不同。那么，超级“水怪”和普通“水怪”有什么区别？他们又是怎么长成的呢？如同神秘的尼斯湖“水怪”一样，星辰大海中的超级“水怪”们也依然深潜于海底，等待天文学家们来揭秘。

恒星形成于分子云，“水怪”也会生蛋。要真正了解水怪，除了拍照，还需要了解它们产的蛋——年轻恒星。在最近的一项研究工作中[3]，科学家们统计分析了已知巨型纤维状结构的恒星形成率，具体来说就是细数每个巨型纤维状结构中年轻星的数目，更形象一点就是清点每个超级“水怪”下的蛋。

巨型纤维状结构G47的密度分布图（背景）及其中的年轻恒星位置（黄点）。| 图源：Herschel/作者

科学家在所有57个超级“水怪”中共找到了约18000颗蛋，当然这些只是较为明亮的恒星，由于受到望远镜灵敏度的限制，许多暗弱的恒星都被漏数了。据估计，实际的总蛋数可能超过20万颗。

统计分析显示，超级“水怪”的平均产蛋率与太阳系附近的小“水怪”们区别不大，科学的表达即：巨型纤维状结构的恒星形成效率与近邻分子云没有显著差异。

一种可能的解释是：如果恒星形成过程是由小尺度结构决定的，那么虽然巨型纤维状结构可以形成更多的恒星，但归算到同一尺度下，即恒星形成效率，则不会有差别。形象点说，如果大“水怪”并不是一整只，而是许多小“水怪”构成的群，那么，虽然一群“水怪”会产很多蛋，但平均到每只的产蛋数目不会有太大差异。

需要说明的是，对纤维状结构的研究目前还处于起步阶段。天文学家关心的问题包括：它们是如何形成的？在分子云和恒星的形成过程中扮演什么样的角色？

理解它们的起源和演化需要更多的样本和更细致全面的观测。Herschel的图像揭示出分子云的复杂结构，但看到的主要是分子云中的尘埃成分，是二维静态图像，无法获得分子气体的运动学信息。要了解分子云的主体，并看清“湖底”的暗流涌动和“水怪”们扭动的腰肢，我们还需要相应分子气体的巡天观测，得到第三维的速度信息。

在青藏高原的戈壁深处，一架毫米波望远镜正在开展“银河画卷”巡天计划，绘制一幅北天银道面的一氧化碳分子气体发射的全景图。科研人员正在对巡天陆续发现的巨型纤维状结构的物理和化学性质进行仔细分析。相信“银河画卷”完成后将会再次刷新我们对分子云和恒星形成的认识。

“银河画卷”巡天计划发现的巨型纤维状结构。| 图源：ApJ / 紫金山天文台熊放[4]

参考资料

[1] Jackson, J. M., et al 2010, ApJL, 719, L185

[2] Goodman, A. A., et al. 2014, ApJ, 797, 53

[3] Zhang, M., et al 2019, A&A, 622, A52

[4] Xiong, F., et al. 2017, ApJ, 838, 49

作者简介

张淼淼：中国科学院紫金山天文台 分子云与恒星形成研究团组 博士 助理研究员

主编：毛瑞青

轮值主编：陈学鹏

编辑：王科超、高娜