有人的地方就有傳說，有大湖的地方就可能有水怪。傳說了1500多年之久的尼斯湖水怪，是地球上最神秘也最吸引人的謎之一。今天，我們要帶你認識一下星辰海洋中的超級“水怪”。

恆星從哪裡來：分子云

恆星從哪裡來？人類歷史從來沒有停止過對這一古老而神秘問題的思考，但直到十八世紀關於太陽系起源的康德-拉普拉斯星雲假說，才算真正打開了人類探索恆星與行星系統形成與演化的大門。兩百多年過去，天文學現在已明確：恆星形成於分子云。分子云中的緻密區域發生引力塌縮，最終形成恆星。這是自上世紀六十年代發現星際分子後天文學最重要的研究成果之一。

分子云就是星際分子氣體的聚集體。它們是星系中溫度最低、尺度最廣、質量最大的天體。分子云的主要成分是氫分子，還包含少量的其它分子以及塵埃。分子云中的塵埃會吸收其背後的星光，從而遮蔽部分天空造成“黑影”。不過，要直接看到分子云還得依靠分子云自身的輻射。雖然在典型分子云所處的物理條件下氫分子幾乎沒有可觀測的輻射，但分子云中丰度僅次於氫分子的一氧化碳及其同位素分子（CO，13CO，C18O）（注：文中斜體表示上標，這裡分別指碳-13原子，氧-18原子）在毫米波段有很強的輻射，因此可以透過這些分子氣體分佈的探測看到分子云。另外，其中塵埃的熱輻射峰值落在遠紅外波段，因此在遠紅外波段也可以看到分子云。

上世紀30年代開始，天文學家就已經注意到許多分子云呈現長條狀，即纖維狀結構（filament），但是並沒有引起足夠的重視。主要原因是受望遠鏡空間解析度和靈敏度的限制，早期觀測往往只能看到分子云密度最高的部分，一般表現為小尺度的近圓形結構，即團塊（clump）和雲核（core）。在經典恆星形成理論中，分子云的形狀並不是非常重要，因此常常被假定為橢球體，這也是理論上最容易處理的形狀。

大批“水怪”浮現：纖維狀結構

2009年由歐空局ESA聯合美國NASA發射的3.5米口徑Herschel空間天文臺可以在紅外波段約70到500微米的波長範圍內對天空拍照。得益於前所未有的解析度和靈敏度，Herschel 可以探測到分子云中許多非常闇弱的結構。如果說光學鏡頭下的分子云就像一片深不見底的黑色湖泊，那麼紅外鏡頭則給我們展示了暗流湧動的湖底真面目。

Herschel三色（藍-70微米，綠-160微米，紅-250微米）合成的蛇夫座分子云中縱橫交錯的纖維狀結構。| 圖源https://www.herschel.caltech.edu/

Herschel的觀測重新整理了我們對分子云的認識：在Herschel的紅外鏡頭裡，幾乎所有分子云中都密佈著蜿蜒曲折的纖維狀結構，如同無處不在的“水怪” 。天文學家們不得不重新思考恆星形成理論，必須引入更復雜的物理模型，使得分子云中首先能夠形成網狀的纖維狀結構。從某種程度上說，這一大批“水怪”的出現把恆星形成研究帶入了一個新的時代！

如今，纖維狀結構已經是恆星形成研究中的熱點。太陽系附近分子云中的“水怪”容易觀測，也研究的最多。它們大多體型較小，一般體長几光年到幾十光年（1光年約等於9.5萬億千米），寬度通常小於1光年。那麼，還有更大的“水怪”嗎？最大可以長到多大呢？

超級“水怪”：巨型纖維狀結構

2010年，天文學家注意到一隻細細長長的“水怪”，給它取了一個令人印象深刻的暱稱“Nessie”，因為它長的很像傳說中的尼斯湖水怪[1]。“Nessie”身形妖嬈，長約260光年，但寬度卻不到2光年，典型的水蛇腰。而且它的密度非常高，在8微米照片上依然是一道黑色的閃電。

更令人驚奇的是，後續的研究發現[2]，之前觀測到的“Nessie”只是冰山一角，真實的“Nessie”可能長達驚人的1400光年！而且，這樣的“Nessie”並非個例。到目前為止，天文學家已經找到了幾十個長度從30光年到1600光年不等的超級“水怪”，它們很可能和銀河系旋臂結構相關，甚至有科學家提出新觀點，認為“Nessie”代表了一類銀河系旋臂深處長而緻密的纖維狀結構。巨大的“尼斯湖水怪”就像印度神話中支撐大地的巨蛇舍沙一樣，作為旋臂的“骨骼”撐起了整個銀河系！

揭秘超級“水怪”

人們對新發現的東西總是充滿好奇，總希望它們能在各方面與眾不同。那麼，超級“水怪”和普通“水怪”有什麼區別？他們又是怎麼長成的呢？如同神秘的尼斯湖“水怪”一樣，星辰大海中的超級“水怪”們也依然深潛於海底，等待天文學家們來揭秘。

恆星形成於分子云，“水怪”也會生蛋。要真正瞭解水怪，除了拍照，還需要了解它們產的蛋——年輕恆星。在最近的一項研究工作中[3]，科學家們統計分析了已知巨型纖維狀結構的恆星形成率，具體來說就是細數每個巨型纖維狀結構中年輕星的數目，更形象一點就是清點每個超級“水怪”下的蛋。

科學家在所有57個超級“水怪”中共找到了約18000顆蛋，當然這些只是較為明亮的恆星，由於受到望遠鏡靈敏度的限制，許多闇弱的恆星都被漏數了。據估計，實際的總蛋數可能超過20萬顆。

統計分析顯示，超級“水怪”的平均產蛋率與太陽系附近的小“水怪”們區別不大，科學的表達即：巨型纖維狀結構的恆星形成效率與近鄰分子云沒有顯著差異。

一種可能的解釋是：如果恆星形成過程是由小尺度結構決定的，那麼雖然巨型纖維狀結構可以形成更多的恆星，但歸算到同一尺度下，即恆星形成效率，則不會有差別。形象點說，如果大“水怪”並不是一整隻，而是許多小“水怪”構成的群，那麼，雖然一群“水怪”會產很多蛋，但平均到每隻的產蛋數目不會有太大差異。

需要說明的是，對纖維狀結構的研究目前還處於起步階段。天文學家關心的問題包括：它們是如何形成的？在分子云和恆星的形成過程中扮演什麼樣的角色？

理解它們的起源和演化需要更多的樣本和更細緻全面的觀測。Herschel的影象揭示出分子雲的複雜結構，但看到的主要是分子云中的塵埃成分，是二維靜態影象，無法獲得分子氣體的運動學資訊。要了解分子云的主體，並看清“湖底”的暗流湧動和“水怪”們扭動的腰肢，我們還需要相應分子氣體的巡天觀測，得到第三維的速度資訊。

在青藏高原的戈壁深處，一架毫米波望遠鏡正在開展“銀河畫卷”巡天計劃，繪製一幅北天銀道面的一氧化碳分子氣體發射的全景圖。科研人員正在對巡天陸續發現的巨型纖維狀結構的物理和化學性質進行仔細分析。相信“銀河畫卷”完成後將會再次重新整理我們對分子云和恆星形成的認識。

“銀河畫卷”巡天計劃發現的巨型纖維狀結構。

參考資料

[1] Jackson, J. M., et al 2010, ApJL, 719, L185

[2] Goodman, A. A., et al. 2014, ApJ, 797, 53

[3] Zhang, M., et al 2019, A&A, 622, A52

[4] Xiong, F., et al. 2017, ApJ, 838, 49

作者簡介

撰文：張淼淼

輪值主編：陳學鵬