宇宙星系中的分子气体被组织成一个层次结构，巨型分子气云中的分子物质，沿着错综复杂的丝状气体通道网络向气体和尘埃的拥堵中心移动，在那里它被压缩成恒星和行星，就像世界各地数以百万计的人通勤到城市工作一样。为了更好地理解这一过程，由马克斯·普朗克天文学研究所(MPIA)乔纳森·亨肖领导的一个天文学家小组：
测量了从星系尺度流出的气体运动，一直到单个恒星形成的气团尺度。研究结果表明，流经每个尺度的气体是动态相互联系的：虽然恒星和行星的形成发生在最小尺度上，但这个过程是由始于星系尺度物质流的级联控制，其研究研究成果发表在《自然·天文学》期刊上。星系中的分子气体由物理机制启动，如星系旋转、超新星爆炸、磁场、湍流和重力，塑造了气体结构。
理解这些运动如何直接影响恒星和行星的形成很困难，因为这需要量化空间尺度上巨大范围内的气体运动，然后将这种运动与观察到的物理结构联系起来。现代天体物理设备现在例行地绘制大片天空的地图，一些地图包含数百万像素，每张地图都有数百到数千个独立的速度测量。因此，测量这些运动在科学和技术上都是具有挑战性的。为了应对这些挑战，研究小组开始利用对银河系和附近星系中气体的观测。
丝状气体网络
测量各种不同环境中的气体运动，通过测量由光源和观察者之间相对运动引起分子发出光的频率明显变化来检测这些运动，这种现象被称为多普勒效应。通过应用设计的新颖软件，研究小组能够分析数百万的测量结果，这种方法使研究人员能够以一种新的方式可视化星际介质。研究发现，冷分子气体运动似乎在速度上波动，这让人想起海洋表面的波浪。
这些波动代表气体运动。波动本身并不特别令人惊讶，因为研究人员知道气体在移动。研究的合著者史蒂夫·朗莫尔(Steve Longmore)说：让我们惊讶的是，这些不同区域的速度结构看起来是如此相似，无论我们是观察整个星系，还是我们银河系内的单个气体云，结构都大致相同。为了更好地了解气流性质，研究小组选择了几个区域进行仔细检查，使用先进统计技术来寻找波动之间的差异。
通过结合各种不同的测量，研究人员能够确定速度波动是如何依赖于空间尺度的。分析技术的一个巧妙特点是对周期性很敏感，如果数据中有重复的图案，比如沿着螺旋臂等间距分布的巨型分子云，可以直接识别图案重复的尺度。研究确定了三条丝状气体通道，尽管追踪的尺度差异很大，但它们似乎都显示出沿着顶部大致等距分布的结构，就像串起来的珠子一样，无论是沿着螺旋臂的巨大分子云，还是沿着丝状物形成恒星的微小“核心”。
分子云的研究发现
研究发现，与等间距结构相关的速度波动，都显示出一种独特的模式。这些波动看起来像是沿着细丝顶部振荡的波，它们有一个明确的振幅和波长。大尺度上的巨型分子云或小尺度上单个恒星形成核心的周期性间隔，很可能是它们母丝变得引力不稳定的结果。这些振荡流是气体沿着螺旋臂流动或向密度峰值汇聚的特征，为恒星的形成提供了新燃料。
相反，研究小组发现，在整个巨型分子云中测量到的速度波动，在整个云和其中的微小核心之间的尺度上，没有显示出明显的特征尺度。在巨型分子云中看到的密度和速度结构是‘无尺度’的，因为产生这些结构的湍流形成了一个混沌级联，当放大时会显示出越来越小的波动。这种无尺度行为发生在两个定义明确的极端之间：整个气体云的大尺度，以及形成核心的小尺度。
把巨大分子云想象成由高速公路连接起来的等间距特大城市。从鸟瞰图来看，这些城市的结构，以及穿行其中的汽车和人，显得混乱和无序。然而，当放大个别道路时，会看到来自四面八方的人，有序地进入他们各自的写字楼，写字楼代表着恒星和行星诞生密集而寒冷的气体核心。
博科园｜研究/来自：马克斯·普朗克学会
参考期刊《自然天文学》
DOI: 10.1038/s41550-020-1126-z
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