在宇宙大尺度演化的图景中，恒星诞生于由氢分子主导的冷暗分子云，而这些分子云的引力、湍流及磁场作用等因素共同决定了恒星形成的初始条件。由于银河系从内盘到外盘在金属丰度、引力势和湍流能量等方面存在显著差异，尤其是外银盘金属丰度（即比He重的元素质量比例）仅为太阳系周边气体的约20%，外盘分子云的动力学状态是否与太阳系近邻分子云类似，一直是学界关注的重要科学问题。

近日，一项针对银河系外盘分子云的观测研究取得重要进展。由南京大学天文与空间科学学院的张智昱教授与广西大学物理科学与工程技术学院的王均智教授领导的科研团队利用可靠的分子气体探针（13CO分子发射线），对银心距10到25 秒差距（kpc）的一批分子云进行了成图观测（如图一）。结合内银盘及近邻贫金属矮星系的数据进行比较，团队发现低金属分子云与太阳附近的富金属分子云在动力学状态上存在显著差异。

图一 本工作的分子云样本在银河系盘面上的分布。图中展示了来自Bar and Spiral Structure Legacy Survey的旋臂模型，包括：3-kpc旋臂（灰色点线）、本地臂（灰色虚线）、人马座-船底座臂（灰色点划线）、英仙臂（黑色粗点线）、矩尺-外臂（棕色粗点划线）以及盾牌座-半人马座臂（蓝色粗虚线）。金色圆点和红色十字叉分别表示太阳和银河系中心的位置。白色虚线表示太阳轨道圆。紫色星形、红色三角形和绿色圆点分别表示通过ALMA Total Power (TP)、IRAM 30米望远镜和SMT观测的外盘分子云。灰色六边形表示来自Galactic Ring Survey的内盘分子云。

研究显示，随着银心距增大，分子云的湍流强度（以速度弥散表征）显著下降。内银盘的分子云往往处于"超维里化"状态，即湍流足以抵抗自引力坍缩。相比之下，外银盘的分子云普遍处于"亚维里化"状态，即湍流主导的动能不足以支撑其自引力势能。外银盘金属丰度仅为太阳金属丰度的约20%，与近邻矮星系的低金属环境相当。研究者发现，近邻矮星系的分子云同样处于亚维里化状态。银河系内盘、外盘和近邻矮星系的分子云符合一个维里化状态（以维里化参数表征；正比于分子云的动能与自引力势能之比）随金属丰度系统性变化的趋势（如图二）。这意味着金属丰度可能对分子云湍流强度和动力学状态有重要影响。

图二 分子云维里参数随气态金属丰度的变化。除了银河系中的分子云，图中还包含进了近邻贫金属矮星系中的分子云，即大麦哲伦云、小麦哲伦云、NGC 6822和DDO 70。水平黑色虚线表示维里参数等于一（即经典的维里平衡），竖直黑色点线表示太阳银心距。蓝色实线表示对银河系中分子云变化趋势的拟合。

为了维持处于亚维里化状态的分子云长期稳定存在，研究团队进一步考虑了分子云内部磁场的贡献，并推断这些贫金属分子云所需的磁场强度与在太阳邻域分子云内实测的磁场水平相当。这表明，贫金属环境下正常的磁场强度即可有效支撑分子云的自引力，而富金属环境中的分子云，凭借更强的湍流即可维持自身平衡，磁场的作用相对较小。

本研究首次在分子云尺度上发现了恒星形成初始条件会随金属丰度显著变化，为理解早期宇宙和低金属星系中的恒星形成提供了新的线索。未来，期待通过更高分辨率的观测、对分子云内部磁场的直接测量，以及可靠的磁流体数值模拟，进一步揭示金属丰度影响分子云动力学的深层机制。

论文第一作者，南京大学天文与空间科学学院的博士生林令瑞表示："这个工作开始于2019年，源自一个本科生早期科研训练课题。当时我还是一个本科三年级的学生。这个项目最开始的目标是研究分析一批银河系外盘分子云的成图观测数据。但随着研究逐渐深入，我们看到了越来越多有趣的现象，这激发我们进一步思考。我们还申请了一些国际一流的望远镜观测来证实我们的发现。为了理解我们的发现，我们与国内外恒星形成领域的专家展开了一系列的讨论和合作，最终有幸能将我们的结果正式发表。"

本研究由南京大学研究团队主导，包括广西大学，希腊亚里士多德大学，德国马克斯普朗克射电天文所，紫金山天文台，之江实验室，意大博洛尼亚天体物理与空间科学天文台，清华大学，国家天文台，高雄中山大学，丹麦宇宙黎明中心，法国毫米波射电天文所，中国科学院大学，厦门大学，上海天文台等单位的多位研究者参与，获得科技部项目、国家自然科学基金、江苏省双创人才计划、中国空间站望远镜等多项基金支持。

该工作于2025年1月10日在线发表于英国 《自然·天文学》 杂志。

https://www.nature.com/articles/s41550-024-02440-3

在《自然·天文学》同期刊登了这个工作的简报：

https://www.nature.com/articles/s41550-024-02441-2