银心小旋涡新探
在射电或X射线波段望向银河系的中心方向，视野所及之处，最明亮的天体莫过于人马A*。人马A*是一个相当致密的结构，宽度只有1天文单位，刚与日地间距相当。上世纪70年代，以马丁·里斯爵士为首的天文学家第一次将人马A*同其他活动星系核联系了起来。现在根据气体和恒星的运动情况，人们已经可以敲定，这里潜伏着一个质量超大的致密天体，主流观点将其视作一个质量数百万倍于太阳的特大质量黑洞。
银心人马A*周边区域的红外（蓝色）与射电（绿色与红色）合成图。（图片提供：NRAO/AUI）
以人马A*为中心，数道温热的电离气体流向外延伸开去，发出明亮的射电连续谱辐射。这些气体流可以大致分为北、东两臂以及西侧的弧状区域，中央还存在一个小型棒状结构，外围又有东北臂、水平臂等次要部分。此处的整体形态与大尺度的星系旋臂颇有类似之处，故称“小旋涡（Minispiral）”。根据旋涡中气体的形态和动力学结构，基本可以认为它们是环绕人马A*作开普勒运动的气体结构，其外观要归结于特大质量黑洞对邻近星际介质的潮汐力作用，电离的能源则是银心星团中大质量恒星的强烈辐射。由于与人马A*的密切关联，小旋涡的结构、起源和演化据信是了解银心区域，进而认识所有星系核心的一大关键。
银心小旋涡的射电干涉仪影像，对应第一张图片中的绿色部分。（图片提供：K.Y. Lo, University of Illinois, Urbana-Champaign）
近来，由日本宇宙航空研究开发机构的坪井昌人领导的研究小组将阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA）瞄准了人马A*的四周，获取了小旋涡结构的毫米波高分辨率影像，其结果分别在去年4月和今年6月发表。之所以选择ALMA，是因为亚毫米波段是示踪分子气体以及部分电离气体的最佳选择；而这些成分又都揭示了这里的恒星形成过程——毕竟在黑洞潮汐力强烈的银心区域要如何形成如今所见的大批OB型星以及沃尔夫-拉叶星，至今仍是个谜。
去年发表的结果主要是2011年到2012年间ALMA在100、250和340 GHz毫米波连续谱上的观测，此时的阵列尚未完工，只有不到20架天线可用。这些频率的辐射是尘埃和电离气体的混合体，其中高频以尘埃为主，低频则由电离气体主导。小旋涡的毫米波辐射分布在所有旋臂和中央的小型棒结构上。不过高频旋涡外形的连续性明显逊于低频，旋臂也较低频为窄。而且在旋臂之内，尘埃辐射呈“脊状”集中。
小旋涡区域的100 GHz图像。（图片来源：Tsuboi et al. 2016）
小旋涡区域的250 GHz（左）与340 GHz（右）图像。（图片来源：Tsuboi et al. 2016）
值得注意的是，在红外波段发现的10余颗大质量恒星集中分布在小旋涡北臂以及棒状结构的尘埃辐射峰值区域，致密的IRS13E星团更是与棒状区域尘埃辐射最为明亮的部分重合。由此看来，尘埃似乎是与恒星成协的。坪井等人认为，这些恒星可能起先形成于距离银心相对较远的分子云中，由云团之间的碰撞诱发。碰撞过程让分子云损失了太多的角动量，在数十万年的时间里落到了人马A*附近，并被特大质量黑洞的潮汐力瓦解成了如今的旋涡状造型。
小旋涡区域的340 GHz图像与大质量恒星分布的比较。（图片来源：Tsuboi et al. 2016）
新近发表的工作则将注意力放在了电离气体的有效示踪成分——氢元素的H42α再复合谱线辐射上。这条谱线对应的频率是85.6884 GHz，只比ALMA的观测频率下限高了一点点。这些观测也是在2012年进行的，还兼顾了硫化碳、氧化硅以及H13CO+等分子的部分谱线，不过论文中只关心H42α复合线。
小旋涡区域的H42α谱线通道图，图中的等高线表示100 GHz连续谱的辐射。（图片来源：Tsuboi et al. 2017）
进行谱线观测除了能够勾勒目标的形态，更能描绘其中的气体速度分布。根据H42α谱线来看，几条旋臂涵盖的速度范围相当宽，正负都达到了上百千米甚至更快。这一点在最靠近人马A*的区域尤甚，看上去像是气体流最靠近银心黑洞的尖端。由于旋涡中央的小棒在位置-速度特征上并未与东臂平滑衔接，它是一个独立的侧向成分，与其他旋臂无关；西弧也是自成一家。
北臂和东臂也没有像某些人所认为的那样无缝过渡，所以不太会是由一条旋臂组成的单一结构。在这两条旋臂中，坪井等人还看到了与传统认知相反的现象。一般认为，电离气体因为热运动显著，并不受云团的自引力束缚。但小旋涡中的这些H42α发射区的行为与尘埃一样，大体还是遵循开普勒运动的，只是在旋臂外侧的偏差较大。而且在这两条旋臂中，电子密度随银心距离的减小而增加，旋臂本身的宽度却并无明显的扩张。为了保证电离成分不太过膨胀，这里必然存在外来的压力，周边星际环境中的电离气体可能在此扮演了重要角色。
小旋涡区域电离气体的位置-速度图。（图片来源：Tsuboi et al. 2017）
坪井等人还根据谱线观测，确定了小旋涡中电离气体的电子温度和密度，发现确实如前人所说的那样，越靠近银心，温度越高。而先前甚大天线阵在小旋涡区域找到的疑似原行星盘，这次ALMA的观测表明，它们集中存在于东臂北侧的东北臂中，而东北臂并未与人马A*直接接触。这样看来，这些原行星盘如果属实，那么它们应该是先在距离银心更远的地方形成，然后才被下落气体带到如今的位置的，这与2016年的那项结果倒也相符。
小旋涡附近两个可能的原行星盘。（图片来源：Yusef-Zadeh et al., 2015）
接下来，坪井的团队准备继续撰文探讨小旋涡中分子气体与电离成分之间的关系。如果小旋涡起源于距离银心较远处，随后下落并瓦解的说法成立，那么它不过是一个临时性的结构，不知今后会何去何从。至于小旋涡与银心其他天体之间的联结，那就是更复杂的话题了。
