分子云中的“纤维豪门”

张择端的清明上河图描绘了清明时节北宋都城汴京的繁华景象，有心人却读懂了盛世之下的民生国情：贫富之间永恒的一九定律。紫金山天文台科学家们的“银河画卷”描绘的则是分子云的纷繁形色，听说他们也从中发现了星际的一九定律。

清明上河图局部 ￨ 图源：网络

银河系广袤的星际空间弥漫着的电离气体、原子气体和分子气体是星际介质的主要成分，它们的密度和温度各不相同。其中，最冷最致密的当属分子气体，由它们组成的分子云是恒星的摇篮，也是连接银河系宏观大尺度结构和恒星系统的桥梁。

银道面分子气体

上世纪70年代初发现的星际一氧化碳（CO）分子常被用于示踪星际分子气体。美国科学家曾利用一台口径1.2m的毫米波望远镜进行CO分子谱线巡天观测，花了数十年完成了首张银河系分子气体全景图，极大地丰富了我们对银河系分子气体整体性质的理解。然而，因受限于空间分辨率与探测灵敏度，当时人们还不足以开展银河系分子云的大规模、全局性综合研究。

1.2m口径毫米波望远镜CO巡天揭示的银河系分子气体全景图 [1]

紫金山天文台科学家们利用青海观测站13.7m毫米波望远镜开展的“银河画卷”CO巡天，兼具大天区覆盖和高灵敏度，将银道面分子气体分布推进到更加完备和细致的层面。

分子云的形态学特征

形态分类是我们认识某一类天体的基础，因为它往往蕴含着一些本质特征。历史上，哈勃早在1926年就根据星系的形态，将星系分作漩涡星系、椭圆星系、透镜状星系等基本形态，以“哈勃音叉图”的形式被沿用至今，蕴含着不同的演化序列。不过，分子云的形态则更加复杂和不规则，具有多层次、自相似和分形等特征，其科学分类一直是个令人挠头的问题。

赫歇尔空间望远镜观测的纤维状分子云 ￨ 图源：ESA/Herschel/PACS，SPIRE/Hi-GAL Project.

近年来，赫歇尔空间望远镜对一些分子云进行尘埃连续谱成像观测，发现它们在天空平面的投影呈纤维状结构。正在形成的年轻恒星大多分布在这些纤维状结构上，像挂满藤的葡萄。当然，除了纤维状分子云，还有呈现为团块状、球状、彗星状或者更延展的结构等形状的非纤维状分子云。这两种基本形态可能蕴含了分子云的某些本质特征。

“银河画卷”CO分子谱线观测的纤维状分子云，增加了速度维度的信息。￨ 图源：作者，动画：吕行

纤维状分子云在恒星形成中所扮演的角色越来越受到重视。那么，分子云中纤维状形态到底占比多少呢？非纤维状分子云和纤维状分子云之间存在什么联系吗？又是什么原因导致它们呈现出不同的形态？

由于缺乏大规模、无偏的分子云巡天样本，目前我们对这些问题的认知只是一鳞半爪。利用银河画卷CO巡天数据，我们对外银道面450平方度范围内得到的18190个分子云进行系统的形态分类：把纤维状结构定义为一个长宽比大于4的纤细狭长结构；纤维状云至少包含一条纤维状结构，而非纤维状云则没有这样的结构。

“银河画卷”中千姿百态的纤维状分子云 ￨ 图源：作者

分子云界的一九定律

为了尽可能避免人为因素的影响，研究人员被分为三组。基于传统的二元分类法，他们分别独立对18190个分子云的三个维度的积分强度图像进行逐一查看，并通过至少两人间的交叉认证来确认分子云的形态。

分子云的二元分类：根据分子云积分强度图，百分比为该类分子云相对于分子云总数的占比。￨ 图源：作者

结果发现，在这些分子云中，10%左右的分子云呈现出纤维状形态，但它们占据了90%以上的质量。即符合一九定律：世界上一成的人掌控着全球九成的财富。可以说纤维状分子云是星际介质中“豪门”，它们聚集了大部分分子气体，可能构成了分子云的主体结构。

纤维状和非纤维状分子云之间的差异 ￨ 图源：作者

进一步系统性地对比研究纤维状和非纤维状分子云的基本物理性质，我们发现这两种不同形态分子云之间的主要差别在于其尺度大小：纤维状分子云倾向于具有更大的尺度。样本中纤维状分子云最大的尺度可达约80pc（秒差距，1pc = 3.26光年），而非纤维状结构的尺度主要集中在约1pc；但它们的分子柱密度却没有明显的差异（平均约为3×10²º cm⁻²）。

分子云之间的联系

前期的研究认为：由于重力不稳定，长的纤维状结构会碎裂成多个短小的非纤维状结构；在碰撞过程中，一些小的团块会拼接成大的纤维状分子云。通过进一步的观测和分析，比如研究纤维状和非纤维状分子云中的致密气体占比等，可以帮助我们深入理解这些问题。基于纤维状结构的分子云分类为我们理解分子云的演化规律和恒星形成过程提供了一个新的维度。

将来，通过结合“银河画卷”的CO分子谱线和“中国天眼”FAST的高灵敏度中性氢原子（HI）谱线的巡天数据，可以进一步系统研究从原子云到分子云的转化过程，绘制出展示银河系分子和原子气体分布形形色色的“风土人情”的中国版“画卷”。

参考资料：

[1] Heyer M, Dame T M. Molecular Clouds in the Milky Way[J]. ARA&A, 2015, 53:583-629.

[2] Pokhrel R, Myers P C, Dunham M M, et al. Hierarchical Fragmentation in the Perseus Molecular Cloud: From the Cloud Scale to Protostellar Objects[J]. ApJ, 2018, 853(1):5.

[3] Lixia Yuan, Ji Yang, Fujun Du, Xunchuan Liu et al. A Morphological Classification of 18190 Molecular Clouds Identified in 12CO Data from the MWISP Survey. 2021arXiv210812110Y.（Accepted by ApJS）

作者简介

苑利霞

中国科学院紫金山天文台博士后。研究方向：分子云的基本性质，以及其形成和演化。

刘训川

中国科学院上海天文台博士后。研究方向：分子云与恒星形成的动力学与化学演化。

轮值主编：杜福君

编辑：王科超