近日，北京大学物理学院天文学系2025届博士毕业生许峰玮博士（现为德国Max Planck Institute for Astronomy）与其博士导师王科副教授合作，在国际天文学期刊 Astronomy & Astrophysics 发表了 LANCET 项目的首篇研究成果。
该研究工作受启发于一个恒星形成领域的核心问题：大质量恒星与星团是如何逐步组装其质量的？为了理解这一问题，天文学家长期致力于观测那些仍深度嵌入于分子云中的“婴儿恒星”。这些天体由于温度较低，在光学波段不可见，但在毫米与射电波段具有显著辐射信号。过去数十年间，大规模银河巡天项目积累了大量不同距离、不同环境条件下的恒星形成区样本。然而，环境差异与观测条件的复杂性，也使得从统计样本中提取纯粹的演化信息变得更加困难。
LANCET（Linear filament and nested cluster evolution tomography）项目针对这一问题对症下药，在我们银河系众多大质量恒星形成区中找到了一个难得的“受控实验室”——G316.8 分子云丝状结构。该结构长度约 14 秒差距，呈近线性分布，内部包含三个相邻子区域。尽管这三个区域拥有相近的气体储量（各约一万太阳质量），却分别处于从红外暗云、到活跃形成阶段、再到成熟 H II 区的连续演化序列之中。这使得研究者能够在相同初始气体条件下，直接比较纤维状分子云在不同演化阶段的物理性质和结构差异。
图 1. G316.8 丝状体整体概貌。背景彩色图为 Spitzer 3.6 μm 与 5.8 μm 以及 Herschel 70 μm 图像的合成结果。叠加的白色等高线表示分子氢柱密度分布图，其等值线水平分别为 3.0、5.0、8.0、12.6 和 20.0 × 10²² cm⁻²。蓝色、橙色和红色方框分别标示出年轻阶段、中期阶段和演化阶段区域。各区域中嵌入的大质量团块以相应颜色的椭圆表示。
作为LANCET项目的先导观测研究，团队利用阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列（ALMA）在 1.3 毫米波段的118 次拼接观测，对整条丝状体进行了完整成像。结合单天线数据，团队构建了覆盖整条 14 秒差距结构的0.1秒差距高分辨率温度与分子气体柱密度分布图，实现了从大尺度结构到致密核心的多尺度成像，这为我们理解系统从分子云到恒星转换过程同时提供了宏观和微观的视角。
为了系统刻画不同子区域内部结构差异，研究团队采用了三种独立统计方法。首先，研究人员分析了柱密度概率分布函数（N-PDF），用于量化不同密度气体所占比例。在分子云中，N-PDF 通常由湍流主导的对数正态分布以及由引力塌缩产生的幂律尾部构成。研究发现，从年轻区域到活跃形成区域，对数正态分布逐渐变宽，可能反映出增强的湍流运动（见图2左）。在演化的第三阶段（HII区），还出现了第二个幂律尾部，表明越来越多的气体被压缩至可形成恒星的高密度结构之中。N-PDF 的演化为质量组装过程提供了定量证据。
其次，团队利用 delta-variance 算法研究不同空间尺度上的结构变化。该方法用于衡量不同物理尺度上结构强度的分布。结果显示，最年轻区域具有最陡的 delta-variance 斜率，说明其结构主要集中在大尺度；随着演化推进，中等尺度与小尺度结构逐渐增强；在最演化区域，小尺度结构显著增强，反映出致密核心与团簇形成活动的增强（见图2中）。
作为独立验证，研究人员还采用树状图（dendrogram）分析提取层级结构。结果表明，演化程度更高的区域拥有更多层级嵌套结构，而年轻区域则以相对孤立的结构为主（见图2右）。这些尺度相关的诊断共同揭示：丝状体内部气体正在经历由大尺度分布向小尺度集中化的系统性重组。
图 2. 从静止阶段到活跃恒星形成阶段的区域结构差异。左：柱密度概率分布函数（N-PDF）演化出略微变平的第一幂律尾部，并在活跃区域中出现一个更陡峭的第二幂律尾部。中：∆-variance 的斜率随演化逐渐变浅。右：树状图（dendrogram）分析显示，在更活跃的区域中存在更多层级嵌套结构。
许峰玮博士表示：“综合 N-PDF 演化、delta-variance 尺度变化以及层级结构分析，我们在同一条分子丝状体中直接观测到一个按时间排序的结构转化过程。” 王科副教授补充道：“我们精心设计了这个精妙的观测实验，ALMA‘一眼万年’，将大质量恒星形成初期的物理过程动态地呈现在我们眼前。这个结果振奋人心，LANCET的后续更加令人期待。”
目前，LANCET 团队已获得新的ALMA观测数据，其物理分辨率提升近十倍（约 1000 天文单位）。同时，团队还获取了分子谱线数据以研究气体运动学，并开展全偏振观测以测量磁场结构。
“这LANCET 的第一刀，为我们剖析开分子云内部的密度结构及其演化，为新一代数值模拟提供观测指导，”许峰玮博士表示，“未来我们将揭开其内部气体流动与磁场作用的谜团，开展更加精细和多信使的‘层析’研究，进一步揭示大质量恒星团的形成机制。”
该研究成果受到科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国-智利联合天文基金资助
论文链接：
https://doi.org/10.1051/0004-6361/202557480
Linear filament and nested cluster evolution tomography (LANCET) I. Capture the evolution of dense gas in 14-parsec filament G316.8
https://doi.org/10.1051/0004-6361/202450296
The Milky Way atlas for linear filaments
图文：许峰玮
审核：陈弦、吴学兵、王科
