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 Galactic center is the closest region in which we can study star formation under extreme physical conditions like those in high-redshift galaxies. We measure the temperature of the dense gas in the central molecular zone (CMZ) and examine what drives it. We mapped the inner 300 pc of the CMZ in the temperature-sensitive J = 3-2 para-formaldehyde (p-H$_2$CO) transitions. We used the $3_{2,1} - 2_{2,0} / 3_{0,3} - 2_{0,2}$ line ratio to determine the gas temperature in $n \sim 10^4 - 10^5 $cm$^{-3}$ gas. We have produced temperature maps and cubes with 30" and 1 km/s resolution and published all data in FITS form. Dense gas temperatures in the Galactic center range from ~60 K to > 100 K in selected regions. The highest gas temperatures T_G > 100 K are observed around the Sgr B2 cores, in the extended Sgr B2 cloud, the 20 km/s and 50 km/s clouds, and in "The Brick" (G0.253+0.016). We infer an upper limit on the cosmic ray ionization rate ${\zeta}_{CR} < 10^{-14}$ 1/s. The dense molecular gas temperature of the region around our Galactic center is similar to values found in the central regions of other galaxies, in particular starburst systems. The gas temperature is uniformly higher than the dust temperature, confirming that dust is a coolant in the dense gas. Turbulent heating can readily explain the observed temperatures given the observed line widths. Cosmic rays cannot explain the observed variation in gas temperatures, so CMZ dense gas temperatures are not dominated by cosmic ray heating. The gas temperatures previously observed to be high in the inner ~75 pc are confirmed to be high in the entire CMZ.

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.

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.

Abstract The Survey of Water and Ammonia in the Galactic Center (SWAG) covers the Central Molecular Zone (CMZ) of the Milky Way at frequencies between 21.2 and 25.4 GHz obtained at the Australia Telescope Compact Array at ∼0.9 pc spatial and ∼2.0 km s −1 spectral resolution. In this paper, we present data on the inner ∼250 pc (1.°4) between Sgr C and Sgr B2. We focus on the hyperfine structure of the metastable ammonia inversion lines ( J , K ) = (1, 1)–(6, 6) to derive column density, kinematics, opacity, and kinetic gas temperature. In the CMZ molecular clouds, we find typical line widths of 8–16 km s −1 and extended regions of optically thick ( τ > 1) emission. Two components in kinetic temperature are detected at 25–50 K and 60–100 K, both being significantly hotter than the dust temperatures throughout the CMZ. We discuss the physical state of the CMZ gas as traced by ammonia in the context of the orbital model by Kruijssen et al. that interprets the observed distribution as a stream of molecular clouds following an open eccentric orbit. This allows us to statistically investigate the time dependencies of gas temperature, column density, and line width. We find heating rates between ∼50 and ∼100 K Myr −1 along the stream orbit. No strong signs of time dependence are found for column density or line width. These quantities are likely dominated by cloud-to-cloud variations. Our results qualitatively match the predictions of the current model of tidal triggering of cloud collapse, orbital kinematics, and the observation of an evolutionary sequence of increasing star formation activity with orbital phase.

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.

Abstract High-mass stars have generally been assumed to accrete most of their mass while already contracted onto the main sequence, but this hypothesis has not been observationally tested. We present ALMA observations of a  pc area in the W51 high-mass star-forming complex. We identify dust continuum sources and measure the gas and dust temperature through both rotational diagram modeling of  and brightness-temperature-based limits. The observed region contains three high-mass YSOs that appear to be at the earliest stages of their formation, with no signs of ionizing radiation from their central sources. The data reveal high gas and dust temperatures (  K) extending out to about 5000 au from each of these sources. There are no clear signs of disks or rotating structures down to our 1000 au resolution. The extended warm gas provides evidence that, during the process of forming, these high-mass stars heat a large volume and correspondingly large mass of gas in their surroundings, inhibiting fragmentation and therefore keeping a large reservoir available to feed from. By contrast, the more mature massive stars that illuminate compact  regions have little effect on their surrounding dense gas, suggesting that these main-sequence stars have completed most or all of their accretion. The high luminosity of the massive protostars (   ), combined with a lack of centimeter continuum emission from these sources, implies that they are not on the main sequence while they accrete the majority of their mass; instead, they may be bloated and cool.

The star formation rate in the Central Molecular Zone (CMZ) is an order of magnitude lower than predicted according to star formation relations that have been calibrated in the disc of our own and nearby galaxies. Understanding how and why star formation appears to be different in this region is crucial if we are to understand the environmental dependence of the star formation process. Here, we present the detection of a sample of high-mass cores in the CMZ's "dust ridge" that have been discovered with the Submillimeter Array as part of the CMZoom survey. These cores range in mass from ~ 50 - 2150 Msun within radii of 0.1 - 0.25 pc. All appear to be young (pre-UCHII), meaning that they are prime candidates for representing the initial conditions of high-mass stars and sub-clusters. We report that at least two of these cores ('c1' and 'e1') contain young, high-mass protostars. We compare all of the detected cores with high-mass cores in the Galactic disc and find that they are broadly similar in terms of their masses and sizes, despite being subjected to external pressures that are several orders of magnitude greater - ~ 10^8 K/cm^3, as opposed to ~ 10^5 K/cm^3. The fact that > 80% of these cores do not show any signs of star-forming activity in such a high-pressure environment leads us to conclude that this is further evidence for an increased critical density threshold for star formation in the CMZ due to turbulence.

Abstract We investigate star formation at very early evolutionary phases in five massive clouds in the inner 500 pc of the Galaxy, the Central Molecular Zone (CMZ). Using interferometer observations of H 2 O masers and ultra-compact H ii regions, we find evidence of ongoing star formation embedded in cores of 0.2 pc scales and ≳10 5 cm −3 densities. Among the five clouds, Sgr C possesses a high (9%) fraction of gas mass in gravitationally bound and/or protostellar cores, and follows the dense (≳10 4 cm −3 ) gas star formation relation that is extrapolated from nearby clouds. The other four clouds have less than 1% of their cloud masses in gravitationally bound and/or protostellar cores, and star formation rates 10 times lower than predicted by the dense gas star formation relation. At the spatial scale of these cores, the star formation efficiency is comparable to that in Galactic disk sources. We suggest that the overall inactive star formation in these CMZ clouds could be because there is much less gas confined in gravitationally bound cores, which may be a result of the strong turbulence in this region and/or the very early evolutionary stage of the clouds when collapse has only recently started.

Young massive clusters (YMCs) are the most compact, high-mass stellar systems still forming at the present day. The precursor clouds to such systems are, however, rare due to their large initial gas mass reservoirs and rapid dispersal timescales due to stellar feedback. Nonetheless, unlike their high-z counterparts, these precursors are resolvable down to the sites of individually forming stars, and hence represent the ideal environments in which to test the current theories of star and cluster formation. Using high angular resolution (1$^{\prime\prime}$ / 0.05pc) and sensitivity ALMA observations of two YMC progenitor clouds in the Galactic Centre, we have identified a suite of molecular line transitions -- e.g. c-C$_{3}$H$_{2} $($7-6$) -- that are believed to be optically thin, and reliably trace the gas structure in the highest density gas on star-forming core scales. We conduct a virial analysis of the identified core and proto-cluster regions, and show that half of the cores (5/10) and both proto-clusters are unstable to gravitational collapse. This is the first kinematic evidence of global gravitational collapse in YMC precursor clouds at such an early evolutionary stage. The implications are that if these clouds are to form YMCs, then they likely do so via the "conveyor-belt" mode, whereby stars continually form within dispersed dense gas cores as the cloud undergoes global gravitational collapse. The concurrent contraction of both the cluster-scale gas and embedded (proto)stars ultimately leads to the high (proto)stellar density in YMCs.