星際介質(zhì)早期如何演化？“中國(guó)天眼”最新觀測(cè)成果揭示全新視角

中新網(wǎng)北京7月16日電 (記者 孫自法 鄭瑩瑩)依托被譽(yù)為“中國(guó)天眼”的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)聯(lián)合中外科研機(jī)構(gòu)，最近在銀河系一團(tuán)超高速運(yùn)動(dòng)的星際氣體云中，首次觀測(cè)到由超音速湍流主導(dǎo)的復(fù)雜絲狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

這項(xiàng)重要天文觀測(cè)研究成果，為揭示星際介質(zhì)在早期演化階段的結(jié)構(gòu)形成機(jī)制提供了全新視角。相關(guān)研究論文，7月16日在國(guó)際專業(yè)學(xué)術(shù)期刊《自然-天文學(xué)》(Nature Astronomy)上線發(fā)表。

提供關(guān)鍵觀測(cè)證據(jù)

此次“中國(guó)天眼”的觀測(cè)對(duì)象是一個(gè)被稱作G165的極高速云(VHVC)，它是一團(tuán)由氫原子組成的大質(zhì)量氣體云，距離地球約5萬(wàn)光年，位于遠(yuǎn)離銀河盤(pán)面的高銀緯區(qū)域，在銀河系外圍空間以每秒約300公里的速度高速運(yùn)行。

論文第一作者及通訊作者、中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)博士后劉訓(xùn)川介紹說(shuō)，G165極高速云因其位置偏遠(yuǎn)、環(huán)境孤立，幾乎不受恒星輻射與引力擾動(dòng)等因素影響，成為研究星際云早期階段內(nèi)部氣體結(jié)構(gòu)形成及演化的理想天然實(shí)驗(yàn)室。

本項(xiàng)研究成果為理解銀河系外緣原子氣體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成，以及星系尺度的物質(zhì)循環(huán)提供關(guān)鍵觀測(cè)證據(jù)，也為揭示銀河系恒星形成的物質(zhì)來(lái)源與演化路徑提供新線索。

同時(shí)，該成果通過(guò)深入解析一個(gè)由暖中性介質(zhì)主導(dǎo)的極高速云所展現(xiàn)出超音速與絲狀特征，為探索宇宙中結(jié)構(gòu)形成的物理過(guò)程，尤其是在非引力主導(dǎo)環(huán)境下的演化機(jī)制，開(kāi)辟了新的研究方向。

呈現(xiàn)強(qiáng)烈湍流特征

論文共同通訊作者、中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員沈志強(qiáng)表示，“中國(guó)天眼”以其超高靈敏度與空間分辨率，使科學(xué)家得以揭示極高速云內(nèi)部前所未有的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。這次觀測(cè)研究表明，G165氣體云主要由暖中性介質(zhì)(WNM)組成，內(nèi)部存在顯著的超音速湍流運(yùn)動(dòng)，局部速度波動(dòng)超過(guò)每秒20公里。

常規(guī)高速云(HVC)通常具有顯著的冷暖氣體混合特征，而G165則表現(xiàn)出截然不同的組成結(jié)構(gòu)：其物質(zhì)幾乎完全由暖中性氣體構(gòu)成，冷中性氣體(CNM)成分極少甚至可以忽略。論文共同通訊作者、中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員劉鐵指出，這一顯著差異表明，以G165為代表的極高速云處于星際云演化過(guò)程中的極早期階段。

令人尤為意外的是，盡管此前研究表明暖中性介質(zhì)內(nèi)部應(yīng)當(dāng)平靜均勻，但本項(xiàng)研究通過(guò)“中國(guó)天眼”中性氫21厘米譜線觀測(cè)，清晰揭示出G165內(nèi)部存在高度結(jié)構(gòu)化的特征：其內(nèi)部充滿復(fù)雜交織的絲狀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在多個(gè)速度層中形成網(wǎng)狀分布。

進(jìn)一步通過(guò)“中國(guó)天眼”觀測(cè)研究顯示，這些絲狀體在三維空間中以扭曲形態(tài)相互交錯(cuò)，構(gòu)成復(fù)雜的氣體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，其徑向密度剖面呈現(xiàn)顯著不對(duì)稱性。這些結(jié)構(gòu)形態(tài)表明，G165內(nèi)部存在激波壓縮過(guò)程，系統(tǒng)整體呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的湍流特征。

進(jìn)一步探索星際結(jié)構(gòu)

為探究這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成因，論文作者之一、中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員李北成利用自主開(kāi)發(fā)的高精度磁流體力學(xué)數(shù)值模擬工具進(jìn)行數(shù)值模擬。

結(jié)果表明，在磁場(chǎng)的配合作用下，超音速湍流能夠自然產(chǎn)生與觀測(cè)結(jié)果相符的絲狀結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)氣體行為，包括多速度分層結(jié)構(gòu)、偏斜的密度概率分布函數(shù)、不對(duì)稱的徑向剖面以及特定的線寬分布等。

特別是這一過(guò)程無(wú)需引力參與，說(shuō)明湍流與磁場(chǎng)本身，可能在星際云早期階段就主導(dǎo)其結(jié)構(gòu)形成過(guò)程，從而為理解星際云早期結(jié)構(gòu)形成的物理機(jī)制提供重要線索。

研究團(tuán)隊(duì)表示，相關(guān)研究未來(lái)將繼續(xù)依托“中國(guó)天眼”，對(duì)更多極高速云開(kāi)展系統(tǒng)觀測(cè)，進(jìn)一步探索星際結(jié)構(gòu)形成的普適物理規(guī)律。(完)

來(lái)源：中新網(wǎng)