银河系中心分子区前所未有的高清图像

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/）