HC3N,另一種激波示蹤分子？

張江水,汪友鑫,陳家梁,趙潔瑜,鄒益鵬

(廣州大學(xué) 天體物理中心，廣東 廣州 510006)

激波，即沖擊波，是星際介質(zhì)(Interstellar Medium,ISM)中一種普遍的現(xiàn)象，可能由超新星爆炸、星風(fēng)以及快速移動的星際氣體團塊之間的碰撞等驅(qū)動[1]。恒星的形成、演化和死亡過程都與激波密切相關(guān)，一方面，星際介質(zhì)中的激波可能觸發(fā)分子云核的塌縮，從而導(dǎo)致新的恒星的形成；另一方面，新形成的恒星又會在演化過程中產(chǎn)生新的激波[2]。目前，已知的激波示蹤分子主要有氧化硅(SiO)、氧化硫(SO)和異氰酸(HNCO)[3-5]。其他分子是否可以示蹤激波？以及它們示蹤的物理環(huán)境和已知的激波示蹤分子是否具有差異，這些問題依舊是天體化學(xué)研究中的重點問題。尋找新的激波示蹤分子對于理解這些分子的化學(xué)特性和限定恒星形成中的物理環(huán)境具有重要意義。

1971年，HC3N首次在銀河系中心人馬座Sgr B2中被探測到[6]，是一個良好的致密分子探針[7-9]。它的主要合成途徑為C2H2+ CN → HC3N + H[10-11]。激波模型提出HC3N的前體分子(C2H2)在高速(～40 km s-1)激波的作用下被釋放到氣態(tài)環(huán)境中，并和CN反應(yīng)生成HC3N[12]。觀測方面，在具有明顯外向流的源中，HC3N的譜線顯示出明顯的線翼特征[13]，相對于HC5N和N2H+，HC3N的譜線具有更大的線寬[14-15]。以上的模型和少量的觀測研究表明，HC3N可能是另一種激波示蹤分子。

為了證實HC3N是否可以示蹤激波，筆者申請并獲得了IRAM 30 m望遠(yuǎn)鏡的觀測時間，對21個大質(zhì)量恒星形成區(qū)的HC3N J=12-11和另一種高速激波示蹤分子SiO J=5-4進(jìn)行了觀測。本文的第1節(jié)主要介紹觀測情況，在第2節(jié)給出對觀測資料的處理過程，以及相應(yīng)的處理分析結(jié)果。關(guān)于HC3N譜線的線翼以及HC3N和SiO積分強度之間的相關(guān)性，在第3節(jié)中進(jìn)行了討論。第4節(jié)列出了主要結(jié)論。

1 觀 測

在2020年9月和10月，筆者利用當(dāng)前最先進(jìn)的單天線毫米波望遠(yuǎn)鏡IRAM 30 m(西班牙，格拉納達(dá))(1)https://www.iram-institute.org/EN/對21個大質(zhì)量恒星形成區(qū)的HC3N J=12-11和SiO J=5-4進(jìn)行了觀測。觀測中采用具有雙極化功能的8個混頻接收機(Eight Mixer Receiver,EMIR)和寬帶模式下的快速傅里葉變換頻譜儀(FTS)。觀測的頻率范圍為108～115.5 GHz和216.5～220.5 GHz，頻率分辨率為195 kHz，對應(yīng)的速度分辨率在109 GHz和 217 GHz分別為～0.5 km·s-1和0.3 km·s-1。觀測的HC3N J=12-11和SiO J=5-4譜線的靜止頻率分別為109.173 634 GHz和217.104 980 GHz，對應(yīng)的望遠(yuǎn)鏡波束大小分別為19角秒和10角秒。觀測采用位置切換模式(Position-switching mode)，其Off點的位置在源的方位角上偏離30角分。

表1 樣本源的觀測參數(shù)及譜線參數(shù)Table 1 Observed parameters and spectral parameters of our sources

(續(xù)表1)

2 數(shù)據(jù)處理和結(jié)果

筆者使用專用射電連續(xù)譜和譜線分析軟件(GILDAS/CLASS)(2)https://www.iram.fr/IRAMFR/GILDAS/對觀測資料進(jìn)行了處理分析。為了提高信噪比，將同一個源、同種分子的譜線進(jìn)行平均，并進(jìn)行基線改正和平滑處理(平滑后的譜線速度分辨率約為0.6 km s-1)。結(jié)果顯示，在這21個目標(biāo)源中都探測到了HC3N J=12-11，而SiO J=5-4只在12個源中被探測到(信噪比>5)。

觀察探測到的譜線，發(fā)現(xiàn)所有源的SiO J=5-4譜線和大多數(shù)源(16個)的譜線HC3N J=12-11都顯示出明顯的線翼特征。對這些源的譜線，直接使用Class軟件中的“Print”命令得到譜線的積分強度和峰值等譜線參數(shù)。對于其他源(G073.65、G135.27、G160.14、G168.06和G196.45)的HC3N J=12-11譜線，通過對其進(jìn)行高斯擬合，獲得相應(yīng)的譜線參數(shù)。圖1給出了這些源的譜線圖和擬合結(jié)果。

圖1 觀測得到的HC3N J=12-11和SiO J=5-4的譜線及擬合線(綠線)Fig.1 Spectral lines and fits (green lines) for HC3N J=12-11 and SiO J=5-4 obtained from the observations注：上部為HC3N J=12-11譜線,中部為SiO J=5-4譜線。為清晰顯示HC3N J=12-11譜線的線翼特征，將其譜線進(jìn)行了放大(見底部)。綠色線條表示高斯擬合結(jié)果

3 分析和討論

3.1 線翼

譜線的線翼特征主要是源于分子氣體的非熱運動，包括外向流、內(nèi)落和電離氫區(qū)的膨脹等。因為HC3N分子的譜線在整個速度范圍內(nèi)通常是光學(xué)薄的，所以高速非熱運動的氣體與總氣體的相對比例與流量成正比[16]。因此，如果探測到這種光學(xué)薄的致密氣體分子探針具有明顯的線翼，那就說明目標(biāo)源中具有明顯的高速非熱運動氣體。對上述提到的HC3N J=12-11譜線具有明顯線翼成份的16個源進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)其中4個源(G059.78、G109.87、G111.54和G168.06)存在CO分子的外向流[17],5個源(G010.621、G029.95、G059.78、G111.54和G133.94)存在氣體內(nèi)落特征[18]。進(jìn)一步與致密電離氫區(qū)的源表[19-21]交叉認(rèn)證發(fā)現(xiàn)，其中14個源屬于致密電離氫區(qū)。這些反應(yīng)出HC3N分子確實存在于恒星形成活躍的區(qū)域。

3.2 HC3N和SiO的相關(guān)性統(tǒng)計和分析

基于以上處理分析結(jié)果，有12個源同時探測到了HC3N J=12-11和SiO J=5-4。對這12個源進(jìn)行分析，圖2給出了它們的HC3N和SiO譜線積分強度的對比情況，可以發(fā)現(xiàn)，HC3N和SiO之間存在顯著的相關(guān)性。使用不加權(quán)的最小二乘法進(jìn)行擬合，得到：IHC3N=(1.12±0.21)ISiO+(0.51±2.69)，對應(yīng)的線性相關(guān)系數(shù)為0.86。這與之前基于43個南天的大質(zhì)量恒星形成區(qū)樣本的觀測分析結(jié)果一致[22]，擬合結(jié)果得到，IHC3N=(1.15±0.09)ISiO+(1.08±2.45)，相關(guān)系數(shù)為0.89。

HC3N和SiO之間存在顯著相關(guān)性，而氧化硅(SiO)分子是示蹤恒星形成區(qū)高速(20～50 km·s-1)激波區(qū)域的極佳探針[23]，支持HC3N為另外一種高速激波示蹤分子。這從激波模型結(jié)果也能得到驗證，在高速激波的作用下，塵埃表面的硅原子和含硅分子被釋放到氣態(tài)環(huán)境中，隨后被氧化成SiO[5,24-25]。HC3N也可以在類似的情況下產(chǎn)生，即在激波的作用下，HC3N的前體分子(C2H2)從塵埃表面釋放到氣態(tài)環(huán)境中并與CN反應(yīng)生成HC3N。此外，相關(guān)的激波理論模型顯示，HC3N的豐度在高速激波通過的區(qū)域確實會明顯增大[12,26]?；谝陨辖Y(jié)果和討論，筆者認(rèn)為HC3N分子類似于SiO分子，可以作為另外一種高速激波示蹤分子。

需要指出的是，在少數(shù)探測到HC3N的源中，并沒有探測到SiO分子。這可能表明HC3N也能在非激波環(huán)境下產(chǎn)生，激波觸發(fā)其產(chǎn)生并非其唯一的形成機制。

圖2 HC3N J=12-11和SiO J=5-4的積分強度的對比Fig.2 A comparison of the line integrated intensities of HC3N J=12-11 and SiO J=5-4注：實線表示不加權(quán)的最小二乘法擬合結(jié)果

4 總 結(jié)

為檢驗HC3N分子是否可以作為激波示蹤分子，我們使用IRAM 30米望遠(yuǎn)鏡對21個大質(zhì)量恒星形成區(qū)的HC3N J=12-11和SiO J=5-4進(jìn)行了觀測。對觀測資料進(jìn)行了處理分析，主要結(jié)果如下：

(1)在21個源中都探測到了HC3N J=12-11，在其中12個源中探測SiO J=5-4分子。

(2)探測到的所有SiO J=5-4譜線和絕大多數(shù)的HC3N J=12-11譜線都顯示出明顯的線翼特征。對HC3N J=12-11有明顯線翼的源進(jìn)一步分析顯示，HC3N確實存在于恒星形成活動活躍的區(qū)域。

(3)HC3N和SiO的積分強度之間具有顯著的相關(guān)性。結(jié)合之前的模型和觀測結(jié)果，HC3N可以作為激波的示蹤分子。