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中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)，依托500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST），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)。這一成果為揭示星際介質(zhì)在結(jié)構(gòu)形成早期的演化機(jī)制提供了全新視角。

該研究的對(duì)象是一個(gè)被稱作G165的極高速云。這是一團(tuán)由氫原子組成的大質(zhì)量氣體云，距離地球約5萬光年，位于遠(yuǎn)離銀河盤面的高銀緯區(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。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)等常見因素影響，成為研究星際云早期階段的形成與演化的理想天然實(shí)驗(yàn)室。

FAST的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)。觀測(cè)研究表明，G165氣體云主要由暖中性介質(zhì)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)超過每秒20公里。常規(guī)高速云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，冷中性氣體成分極少甚至可以忽略。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程中的更早期階段。

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，但該研究通過FAST中性氫21厘米譜線觀測(cè)，清晰地揭示出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。觀測(cè)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)洌鋸较蛎芏绕拭娉尸F(xiàn)顯著不對(duì)稱性。這一結(jié)構(gòu)形態(tài)表明G165內(nèi)部存在激波壓縮過程，系統(tǒng)整體呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的湍流特征。

為探究這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成因，研究團(tuán)隊(duì)成員、上海天文臺(tái)研究員李北成利用自主開發(fā)的高精度磁流體力學(xué)數(shù)值模擬工具ORION2進(jìn)行了數(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。值得強(qiáng)調(diào)的是，這一過程無需引力參與，說明湍流與磁場(chǎng)本身就可能在星際云早期階段主導(dǎo)其結(jié)構(gòu)形成過程，為理解星際云早期結(jié)構(gòu)形成的物理機(jī)制提供了重要線索。

該研究成果為理解銀河系外緣原子氣體的組織機(jī)制以及星系尺度的物質(zhì)循環(huán)提供了關(guān)鍵觀測(cè)證據(jù)，為揭示恒星形成區(qū)的物質(zhì)來源與演化路徑提供了新線索，也為探索宇宙中結(jié)構(gòu)形成的物理過程尤其是在非引力主導(dǎo)環(huán)境下的演化機(jī)制開辟了新的方向。

相關(guān)研究成果7月16日在線發(fā)表于《自然-天文學(xué)》（Nature Astronomy）。

論文鏈接

具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的極高速云概念圖

FAST觀測(cè)的極高速云G165的HI 21 cm譜線的空間-速度三維結(jié)構(gòu)及其識(shí)別出的復(fù)雜絲狀網(wǎng)絡(luò)。曲線是絲狀網(wǎng)絡(luò)的骨架，可以看到G165內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，遠(yuǎn)非均勻平靜。