Using spectral-line observations of HNCO, N2H+, and HNC, we investigate the kinematics of dense gas in the central ~250 pc of the Galaxy. We present SCOUSE (Semi-automated multi-COmponent Universal Spectral-line fitting Engine), a line fitting algorithm designed to analyse large volumes of spectral-line data efficiently and systematically. Unlike techniques which do not account for complex line profiles, SCOUSE accurately describes the {l, b, v_LSR} distribution of CMZ gas, which is asymmetric about Sgr A* in both position and velocity. Velocity dispersions range from 2.6 km/s<\sigma<53.1 km/s. A median dispersion of 9.8 km/s, translates to a Mach number, M_3D>28. The gas is distributed throughout several "streams", with projected lengths ~100-250 pc. We link the streams to individual clouds and sub-regions, including Sgr C, the 20 and 50 km/s clouds, the dust ridge, and Sgr B2. Shell-like emission features can be explained by the projection of independent molecular clouds in Sgr C and the newly identified conical profile of Sgr B2 in {l ,b, v_LSR} space. These features have previously invoked supernova-driven shells and cloud-cloud collisions as explanations. We instead caution against structure identification in velocity-integrated emission maps. Three geometries describing the 3-D structure of the CMZ are investigated: i) two spiral arms; ii) a closed elliptical orbit; iii) an open stream. While two spiral arms and an open stream qualitatively reproduce the gas distribution, the most recent parameterisation of the closed elliptical orbit does not. Finally, we discuss how proper motion measurements of masers can distinguish between these geometries, and suggest that this effort should be focused on the 20 km/s and 50 km/s clouds and Sgr C.

The inner few hundred parsecs of the Milky Way harbours gas densities, pressures, velocity dispersions, an interstellar radiation field and a cosmic ray ionisation rate orders of magnitude higher than the disc; akin to the environment found in star-forming galaxies at high-redshift. Previous studies have shown that this region is forming stars at a rate per unit mass of dense gas which is at least an order of magnitude lower than in the disc, potentially violating theoretical predictions. We show that all observational star formation rate diagnostics - both direct counting of young stellar objects and integrated light measurements - are in agreement within a factor two, hence the low star formation rate is not the result of the systematic uncertainties that affect any one method. As these methods trace the star formation over different timescales, from $0.1 - 5$ Myr, we conclude that the star formation rate has been constant to within a factor of a few within this time period. We investigate the progression of star formation within gravitationally bound clouds on $\sim$ parsec scales and find $1 - 4$ per cent of the cloud masses are converted into stars per free-fall time, consistent with a subset of the considered "volumetric" star formation models. However, discriminating between these models is obstructed by the current uncertainties on the input observables and, most importantly and urgently, by their dependence on ill-constrained free parameters. The lack of empirical constraints on these parameters therefore represents a key challenge in the further verification or falsification of current star formation theories.

Abstract We report ALMA observations with resolution ≈0.″5 at 3 mm of the extended Sgr B2 cloud in the Central Molecular Zone (CMZ). We detect 271 compact sources, most of which are smaller than 5000 au. By ruling out alternative possibilities, we conclude that these sources consist of a mix of hypercompact H ii regions and young stellar objects (YSOs). Most of the newly detected sources are YSOs with gas envelopes that, based on their luminosities, must contain objects with stellar masses  M * ≳ 8  M ⊙ . Their spatial distribution spread over a ∼12 × 3 pc region demonstrates that Sgr B2 is experiencing an extended star formation event, not just an isolated “starburst” within the protocluster regions. Using this new sample, we examine star formation thresholds and surface density relations in Sgr B2. While all of the YSOs reside in regions of high column density (  N ( H 2 ) ≳ 2 ×  10 23    cm − 2  ), not all regions of high column density contain YSOs. The observed column density threshold for star formation is substantially higher than that in solar vicinity clouds, implying either that high-mass star formation requires a higher column density or that any star formation threshold in the CMZ must be higher than in nearby clouds. The relation between the surface density of gas and stars is incompatible with extrapolations from local clouds, and instead stellar densities in Sgr B2 follow a linear  Σ * – Σ gas relation, shallower than that observed in local clouds. Together, these points suggest that a higher volume density threshold is required to explain star formation in CMZ clouds.

Both the CO(2-1) and CO(1-0) lines are used to trace the mass of molecular gas in galaxies. Translating the molecular gas mass estimates between studies using different lines requires a good understanding of the behaviour of the CO(2-1)-to-CO(1-0) ratio, $R_{21}$. We compare new, high quality CO(1-0) data from the IRAM 30-m EMPIRE survey to the latest available CO(2-1) maps from HERACLES, PHANGS-ALMA, and a new IRAM 30-m M51 Large Program. This allows us to measure $R_{21}$ across the full star-forming disc of nine nearby, massive, star-forming spiral galaxies at 27" (${\sim} 1{-}2$ kpc) resolution. We find an average $R_{21} = 0.64\pm0.09$ when we take the luminosity-weighted mean of all individual galaxies. This result is consistent with the mean ratio for disc galaxies that we derive from single-pointing measurements in the literature, $R_{\rm 21, lit}~=~0.59^{+0.18}_{-0.09}$. The ratio shows weak radial variations compared to the point-to-point scatter in the data. In six out of nine targets the central enhancement in $R_{21}$ with respect to the galaxy-wide mean is of order $\sim 10{-}20\%$. We estimate an azimuthal scatter of $\sim$20% in $R_{21}$ at fixed galactocentric radius but this measurement is limited by our comparatively coarse resolution of 1.5 kpc. We find mild correlations between $R_{21}$ and CO brightness temperature, IR intensity, 70-to-160$ \mu$m ratio, and IR-to-CO ratio. All correlations indicate that $R_{21}$ increases with gas surface density, star formation rate surface density, and the interstellar radiation field.

The evolution of molecular clouds in galactic centres is thought to differ from that in galactic discs due to a significant influence of the external gravitational potential. We present a set of numerical simulations of molecular clouds orbiting on the 100-pc stream of the Central Molecular Zone (the central $\sim500$ pc of the Galaxy) and characterise their morphological and kinematic evolution in response to the background potential and eccentric orbital motion. We find that the clouds are shaped by strong shear and torques, by tidal and geometric deformation, and by their passage through the orbital pericentre. Within our simulations, these mechanisms control cloud sizes, aspect ratios, position angles, filamentary structure, column densities, velocity dispersions, line-of-sight velocity gradients, spin angular momenta, and kinematic complexity. By comparing these predictions to observations of clouds on the Galactic Centre 'dust ridge', we find that our simulations naturally reproduce a broad range of key observed morphological and kinematic features, which can be explained in terms of well-understood physical mechanisms. We argue that the accretion of gas clouds onto the central regions of galaxies, where the rotation curve turns over and the tidal field is fully compressive, is accompanied by transformative dynamical changes to the clouds, leading to collapse and star formation. This can generate an evolutionary progression of cloud collapse with a common starting point, which either marks the time of accretion onto the tidally-compressive region or of the most recent pericentre passage. Together, these processes may naturally produce the synchronised starbursts observed in numerous (extra)galactic nuclei.

In this paper we provide a comprehensive description of the internal dynamics of G0.253+0.016 (a.k.a. 'the Brick'); one of the most massive and dense molecular clouds in the Galaxy to lack signatures of widespread star formation. As a potential host to a future generation of high-mass stars, understanding largely quiescent molecular clouds like G0.253+0.016 is of critical importance. In this paper, we reanalyse Atacama Large Millimeter Array cycle 0 HNCO $J=4(0,4)-3(0,3)$ data at 3 mm, using two new pieces of software which we make available to the community. First, scousepy, a Python implementation of the spectral line fitting algorithm scouse. Secondly, acorns (Agglomerative Clustering for ORganising Nested Structures), a hierarchical n-dimensional clustering algorithm designed for use with discrete spectroscopic data. Together, these tools provide an unbiased measurement of the line of sight velocity dispersion in this cloud, $\sigma_{v_{los}, {\rm 1D}}=4.4\pm2.1$ kms$^{-1}$, which is somewhat larger than predicted by velocity dispersion-size relations for the Central Molecular Zone (CMZ). The dispersion of centroid velocities in the plane of the sky are comparable, yielding $\sigma_{v_{los}, {\rm 1D}}/\sigma_{v_{pos}, {\rm 1D}}\sim1.2\pm0.3$. This isotropy may indicate that the line-of-sight extent of the cloud is approximately equivalent to that in the plane of the sky. Combining our kinematic decomposition with radiative transfer modelling we conclude that G0.253+0.016 is not a single, coherent, and centrally-condensed molecular cloud; 'the Brick' is not a \emph{brick}. Instead, G0.253+0.016 is a dynamically complex and hierarchically-structured molecular cloud whose morphology is consistent with the influence of the orbital dynamics and shear in the CMZ.

Feedback from massive stars plays a key role in molecular cloud evolution. After the onset of star formation, the young stellar population is exposed by photoionization, winds, supernovae, and radiation pressure from massive stars. Recent observations of nearby galaxies have provided the evolutionary timeline between molecular clouds and exposed young stars, but the duration of the embedded phase of massive star formation is still ill-constrained. We measure how long massive stellar populations remain embedded within their natal cloud, by applying a statistical method to six nearby galaxies at 20-100 pc resolution, using CO, Spitzer 24$\rm\,\mu m$, and H$\alpha$ emission as tracers of molecular clouds, embedded star formation, and exposed star formation, respectively. We find that the embedded phase (with CO and 24$\rm\,\mu m$ emission) lasts for $2{-}7$ Myr and constitutes $17{-}47\%$ of the cloud lifetime. During approximately the first half of this phase, the region is invisible in H$\alpha$, making it heavily obscured. For the second half of this phase, the region also emits in H$\alpha$ and is partially exposed. Once the cloud has been dispersed by feedback, 24$\rm\,\mu m$ emission no longer traces ongoing star formation, but remains detectable for another $2{-}9$ Myr through the emission from ambient CO-dark gas, tracing star formation that recently ended. The short duration of massive star formation suggests that pre-supernova feedback (photoionization and winds) is important in disrupting molecular clouds. The measured timescales do not show significant correlations with environmental properties (e.g. metallicity). Future JWST observations will enable these measurements routinely across the nearby galaxy population.

The PHANGS program is building the first dataset to enable the multi-phase, multi-scale study of star formation across the nearby spiral galaxy population. This effort is enabled by large survey programs with ALMA, VLT/MUSE, and HST, with which we have obtained CO(2-1) imaging, optical spectroscopic mapping, and high resolution UV-optical imaging, respectively. Here, we present PHANGS-HST, which has obtained five band NUV-U-B-V-I imaging of the disks of 38 spiral galaxies at distances of 4-23 Mpc, and parallel V and I band imaging of their halos, to provide a census of tens of thousands of compact star clusters, and multi-scale stellar associations. The combination of HST, ALMA, and VLT/MUSE observations will yield an unprecedented joint catalog of the observed and physical properties of ~100,000 star clusters, associations, HII regions, and molecular clouds. With these basic units of star formation, PHANGS will systematically chart the evolutionary cycling between gas and stars, across a diversity of galactic environments found in nearby galaxies. We discuss the design of the PHANGS-HST survey, and provide an overview of the HST data processing pipeline and first results, highlighting new methods for selecting star cluster candidates, morphological classification of candidates with convolutional neural networks, and identification of stellar associations over a range of physical scales with a watershed algorithm. We describe the cross-observatory imaging, catalogs, and software products to be released. These high-level science products will seed a broad range of investigations, in particular, the study of embedded stellar populations and dust with JWST, for which a PHANGS Cycle 1 Treasury program to obtain eight band 2-21 $\mu$m imaging has been approved.

Abstract High-mass stars shape the interstellar medium in galaxies, and yet, largely because the initial conditions are poorly constrained, we do not know how they form. One possibility is that high-mass stars and star clusters form at the junction of filamentary networks, referred to as ‘hubs’. In this Letter we present the complex anatomy of a protocluster hub within an Infrared Dark Cloud (IRDC), G035.39−00.33, believed to be in an early phase of its evolution. We use high-angular resolution ({θmaj, θmin} = {1.4 arcsec, 0.8 arcsec} ∼ {0.02 pc, 0.01 pc}) and high-sensitivity (0.2 mJy beam−1; ∼0.2 Mȯ) 1.07 mm dust continuum observations from the Atacama Large Millimeter Array (ALMA) to identify a network of narrow, 0.028 ± 0.005 pc wide, filamentary structures. These are a factor of ≳3 narrower than the proposed ‘quasi-universal’ ∼0.1 pc width of interstellar filaments. Additionally, 28 compact objects are reported, spanning a mass range 0.3 Mȯ &lt; Mc &lt; 10.4 Mȯ. This indicates that at least some low-mass objects are forming coevally with more massive counterparts. Comparing to the popular ‘bead-on-a-string’ analogy, the protocluster hub is poorly represented by a monolithic clump embedded within a single filament. Instead, it comprises multiple intra-hub filaments, each of which retains its integrity as an independent structure and possesses its own embedded core population.