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银河系中心分子区前所未有的高清图像

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欧洲南方天文台最近公布了一幅令人震撼的新图像,它以前所未有的清晰度,展示了银河系中心隐藏的复杂结构——巨大的气体云、纵横交错的丝状物质,以及孕育恒星的“原材料”。人类第一次能够如此完整、细致地观察银河系最神秘、最极端的区域之一。


有史以来最大的ALMA图像显示了银河系中心的分子气体(来源:ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/S. Longmore et al. Background: ESO/D. Minniti et al.)

这套数据来自位于智利阿塔卡玛沙漠的射电望远镜阵列——阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列(ALMA)。这个研究项目被称为 ACES(ALMA Central molecular zone Exploration Survey - ALMA中心分子区巡天计划),重点观测的是银河系中心的冷分子气体。虽然这些气体温度很低,但它们却决定着恒星是否会诞生。

所谓中心分子区(CMZ),可以理解为银河系核心附近的一大片“恒星工厂”。那里的化学环境异常复杂,充满了冰冷而致密的气体和尘埃——这些物质正是恒星形成的原料。天文学家曾检测到几十种不同分子,不仅包括简单的一氧化碳,还发现了甲醇、乙醇、丙酮等更复杂的有机分子。过去,科学家知道这些区域存在,但缺少足够高分辨率的观测,只能看到模糊轮廓。而现在,他们第一次几乎看清了整个区域的冷气体分布情况。


ACES项目观测位置(来源:ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/S. Longmore et al. Stars in inset: ESO/D. Minniti et al. Milky Way: ESO/S. Guisard)

此次观测生成的图像,是迄今为止规模最大的ALMA银河中心成像项目。它不仅让科学家看到了银河系核心的整体结构,还能进一步研究靠近银河系中心超大质量黑洞附近,恒星是如何诞生、演化乃至死亡的。参与研究的德国欧洲南方天文台(ESO)天文学家阿什利·巴恩斯Ashley Barnes表示:“这是一个极端而陌生的环境,我们的肉眼永远无法直接看到它,但如今它以惊人的细节呈现在我们面前。”


编号为G0.253+0.016的分子云,上图为詹姆斯·韦布望远镜图像,下图为叠加了 ACES HNCO 数据(红色部分)的图像(来源:ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/S. Longmore et al.)

在银河系外围,这种恒星形成机制已经比较清楚。比方说在银河系盘面上,距离我们太阳系并不遥远的地方,分布着许多星云,它们被形象地比作“恒星育婴室”,在这种温和环境中,大量的气体尘埃慢慢坍缩形成新的恒星。但银河中心环境截然不同。那里气体密度更高、辐射更强、磁场更复杂,还靠近超大质量黑洞,因此恒星形成过程可能完全不同。同时,银河中心拥有银河系中一些最庞大、最炽热的恒星。这些恒星寿命通常很短,可能只存活几百万年,随后就会以猛烈的超新星爆炸结束生命。英国利物浦约翰摩尔斯大学天体物理学教授、ACES项目负责人史蒂夫·朗莫尔(Steve Longmore)表示,“这种爆炸会向周围空间释放巨量能量,冲击附近气体云,从而影响下一代恒星是否形成”。因此,银河中心实际上存在一种偏动荡的循环:恒星诞生、演化、爆炸,然后再影响新的恒星形成。


不同分子谱线成图(来源:ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/S. Longmore et al.)

科学家希望通过ACES项目回答一个重要问题:我们现有关于恒星形成的理论,在这种极端环境下是否仍然适用?这次观测覆盖的范围约 650 光年,分辨率达 0.05 秒差距(约 0.16 光年)。在这片从天文学意义上讲并不算太大的区域中,分布着大量气体云和尘埃,它们环抱着银河系中心那个质量相当于太阳 420 万倍的超大质量黑洞。为了完成这次观测,研究团队利用 ALMA 首次对如此大范围区域进行了系统扫描。最终形成的图像并不是一次拍摄完成,而是由大量独立观测拼接而成,像巨大的宇宙拼图。项目成员、ESO天文学家卡册丽娜·艾美尔(Katharina Immer)表示,虽然研究团队预期到该项目会产生丰富的数据,但真正完成拼接后,银河中心展现出的复杂程度仍让所有人感到震撼。科学家从观测数据中检测出 70 多种分子的谱线。精细的观测精度也让我们看到冷气体会沿着细长的丝状结构流动,就像河流汇聚形成湖泊一样,最终聚集成高密度区域。随着物质不断积累,这些区域可能在引力作用下坍缩,逐渐形成新的恒星。


融合了多个巡天数据的银河系中心分子区图像。白色 - Spitzer GLIMPSE 4.5μm 数据;绿色 - Spitzer GLIMPSE 8μm 数据;黄色 - Spitzer MIPSGAL 24μm 数据;红色 - MeerKAT+GBT 20cm 数据。中间白色勾线区域为ACES观测范围,放大图像为 ACES HNCO(1-0) 峰值强度图。(来源:ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/S. Longmore et al.)

研究论文

RESEARCH PAPERS

ACES项目成果已经形成多篇研究论文,陆续发表于《皇家天文学会月刊》。

第一篇:综述(ALMA Central Molecular Zone Exploration Survey (ACES) I:Overview)。介绍ACES项目是什么、为什么做、将解决什么问题,相当于整个系列的“说明书”。针对“银河系中心拥有大量致密气体,但恒星形成效率却远低于理论预测”这一核心问题,他们利用 ALMA 对银河系中央分子区(CMZ)进行了迄今最大规模、高分辨率巡天。


第二篇:3mm连续谱成像(ALMA Central Molecular Zone Exploration Survey (ACES) II:3mm continuum images)。发布了迄今最完整的银河系中心分子区3毫米高清连续谱成图。连续谱主要反映了冷尘埃的分布(恒星形成原料)、HII区(年轻恒星)、同步辐射(高能过程)。


第三篇:HNCO 与 HCO⁺ 分子谱线数据(ALMA Central molecular zone Exploration Survey (ACES) III:Molecular line data reduction and HNCO and HCO data)。这篇文章主要是关于银河中心气体动力学的研究。通过异氰酸分子(HNCO)和甲酰阳离子(HCO⁺ )可以追踪致密冷气体。ALMA达到约 0.2 km/s 的极高速度分辨率,足以看到:气体旋转、湍流、外流、甚至气体落入黑洞的运动。


第四篇:中等带宽谱线数据(ALMA Central Molecular Zone Exploration Survey (ACES)-IV:Data of the two intermediate-width spectral windows)。发布了更多分子数据,用于研究激波环境,判断哪些区域经历碰撞,哪些地方受冲击波影响,哪些区域更适合形成恒星。


第五篇:CS、SO、HC₃N、CH₃CHO、H40α 等分子数据(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)。银河中心不同区域在化学组成上差异巨大,也存在着丰富的复杂分子。该文章相当于绘制了银河系中心的“化学地图”。


第六篇:发现高度“丝状化”的中心分子区(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)。银河中心气体像一团不断拉伸、缠绕的丝线网络,与宇宙大尺度结构有几分相似。较大的丝状结构长度约 10 秒差距(约 32.6 光年),可能对应银河系中心的轨道运动。较小尺度的丝状结构长度约 1 秒差距(约 3.26 光年),遍布整个银河系中心分子区,恒星可能沿这些“纤维”形成。


研究银河中心不仅是为了理解恒星,更是为了理解整个星系的成长过程。因为许多天文学家认为,今天银河系中心的环境,与宇宙早期年轻星系中的条件有很多相似之处——混乱、致密、剧烈。银河系中心是唯一离我们足够近的星系核,如此深入地研究有着重要意义。换句话说,遥远星系中心发生的许多现象,人类难以直接观测,而银河系核心则像一个距离较近的实验室,让天文学家能够研究星系内部最剧烈的物理过程。观察银河中心,某种程度上就像是在“回看”宇宙年轻时代发生过什么。

参考资料

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

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