一個(gè)大質(zhì)量恒星形成復(fù)合體的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)*

周愉欣 徐 燁 加爾肯·葉生別克 劉德劍 周建軍 何玉新 吳 剛 李光輝

(1 新疆大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 烏魯木齊 830046)(2 中國科學(xué)院新疆天文臺(tái) 烏魯木齊 830011)(3 中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái) 南京210023)(4 中國科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210023)(5 新疆射電天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 烏魯木齊 830011)

1 引言

恒星形成研究是天體物理學(xué)的基本問題之一,該研究既有助于星系結(jié)構(gòu)和演化的理解,又關(guān)系到行星的形成,所以在天體起源的研究中,恒星形成研究起著樞紐作用[1].恒星形成于分子云中,同時(shí)又通過星風(fēng)、物質(zhì)、大質(zhì)量恒星的UV(UltraViolet)輻射、超新星爆發(fā)等過程動(dòng)態(tài)地改變著其母體分子云的環(huán)境.換而言之,恒星形成的每一個(gè)過程都會(huì)在母體分子云中留下痕跡,我們可以通過對(duì)這些痕跡的診斷分析最終描繪出恒星形成的完整圖像.因此,對(duì)分子云物理化學(xué)環(huán)境的研究便成了我們了解恒星形成過程的必由之路.由于分子云中塵埃的消光作用使得光學(xué)和近紅外的觀測(cè)受到嚴(yán)重限制,然而這卻是毫米、亞毫米波段的用武之地.毫米、亞毫米觀測(cè)所研究的主要對(duì)象是分子云及其中發(fā)生的恒星形成過程中的各種成協(xié)現(xiàn)象[2].

目前小質(zhì)量恒星形成的過程已經(jīng)達(dá)成普遍共識(shí),但是關(guān)于大質(zhì)量恒星形成機(jī)制的細(xì)節(jié)仍然不清楚,所以繪制出大質(zhì)量恒星形成的過程圖是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作[3–4].為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),研究分子云的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)是至關(guān)重要的.同時(shí)分子外向流出現(xiàn)在大質(zhì)量恒星形成的重要階段,是恒星形成早期階段普遍存在的現(xiàn)象[5].Zuckerman等[6]和Kwan等[7]于1976年用高靈敏度的觀測(cè)方法,在恒星形成區(qū)-獵戶座中測(cè)到第一個(gè)分子外向流.此后分子外向流的搜尋和研究蓬勃開展,無論在大質(zhì)量恒星形成區(qū),還是在小質(zhì)量年輕星體周圍,均探測(cè)到了分子外向流.隨后許多研究人員對(duì)大質(zhì)量恒星形成區(qū)中的分子外向流進(jìn)行了研究[8–13].在這些研究中,通常只使用了一種分子探針來示蹤分子外向流,然而分子外向流需要用多種分子探針來進(jìn)行完整表征.因此,為了更加全面地了解分子外向流的物理性質(zhì),有必要對(duì)多種分子探針?biāo)聚櫟姆肿油庀蛄鬟M(jìn)行系統(tǒng)研究[14].

在這項(xiàng)工作中,我們使用紫金山天文臺(tái)青海觀測(cè)站德令哈13.7 m毫米波望遠(yuǎn)鏡對(duì)一個(gè)大質(zhì)量恒星形成復(fù)合體進(jìn)行了12CO、13CO、C18O、HCO+和CS的成圖觀測(cè)研究.本文的CO和HCO+分子譜線均為J=1-0,CS均為J=2-1,下文將角量子數(shù)省略.圖1是整個(gè)觀測(cè)區(qū)域在中紅外波段下的連續(xù)譜輻射圖.藍(lán)色背景代表4.5 μm的延展輻射,這種延展輻射主要由大質(zhì)量年輕星外向流的反饋與星際介質(zhì)碰撞而產(chǎn)生的激波激發(fā)CO和H2的能級(jí)躍遷而形成的;綠色背景是8 μm的連續(xù)譜輻射,主要來自有機(jī)大分子多環(huán)芳烴(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs),是其吸收大質(zhì)量年輕恒星的遠(yuǎn)紫外光子激發(fā)產(chǎn)生的;紅色背景是24 μm的輻射,主要來自熱塵埃的連續(xù)譜輻射.

在以往的研究中,這個(gè)復(fù)合體分子云主要由3個(gè)源組成,分別被命名為IRAS 19230+1506[15–17]、IRAS 19232+1504[17]和G050.3179–00.4186[17],在圖1中使用紅色箭頭標(biāo)出.3個(gè)源的基本信息列在表1中,其中l(wèi)和b分別表示銀經(jīng)和銀緯,M為源的質(zhì)量,M⊙為太陽質(zhì)量.各個(gè)源的氣體質(zhì)量是由德令哈13.7 m毫米波望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的12CO分子譜線計(jì)算得到的,計(jì)算方法詳見文獻(xiàn)[18]和附錄2.Johnston等[17]在2009年利用中紅外、1.1 mm、3.6 cm和分子譜線的觀測(cè)數(shù)據(jù)研究了這個(gè)復(fù)合體分子云的物理性質(zhì)和恒星形成活動(dòng).研究結(jié)果表明IRAS 19230+1506附近2.5′′處存在一個(gè)HII區(qū),并給出了G050.3179–00.4186是一個(gè)大質(zhì)量恒星形成區(qū)的觀測(cè)證據(jù).但在IRAS 19232+1504中,由于沒有探測(cè)到熱塵埃和電離氣體的存在,他們認(rèn)為這個(gè)源可能是寧靜的或處于恒星形成的早期階段.另外,他們認(rèn)為IRAS 19230+1506中還可能存在分子外向流,但未進(jìn)行證認(rèn).隨后Retes-Romero等[16]在2020年中指出我們所研究的復(fù)合體是一個(gè)位于1.3 kpc處的紅外暗云,線尺度約為4.2 pc.此外,在第3節(jié)中,我們?cè)?個(gè)源中均探測(cè)到了雙極外向流活動(dòng),進(jìn)一步證實(shí)此復(fù)合體位于運(yùn)動(dòng)學(xué)距離的近距離上(～1.3 kpc).

表1 源的基本信息Table 1 Basic information of sources

圖1 復(fù)合體分子云的中紅外輻射.由Spitzer-IRAC(Infrared Array Camera)和MIPSGAL(Galactic Legacy Infrared Mid-Plane Survey Extraordinaire)數(shù)據(jù)疊加的三色圖(4.5 μm為藍(lán)色,8 μm為綠色,24 μm為紅色).3個(gè)波段的數(shù)據(jù)采用的數(shù)值范圍都是從最小到最大,采用的比例是線性的.白色框表示后續(xù)我們主要分析的重點(diǎn)區(qū)域.另外,4.5 μm輻射既包括恒星形成區(qū)的延展輻射,也包括來自背景和前景星的輻射.Fig.1 Mid-infrared radiation of complex molecular clouds.A three-color plot(Blue for 4.5 μm,Green for 8 μm,Red for 24 μm)overlaid with Spitzr-IRAC and MIPSGAL data.The range of values used in the data of the three bands is from the smallest to the largest,and the proportion used is linear.The white box represents the key areas of our subsequent analysis.In addition,4.5 μm radiation includes both extended radiation from star-forming regions and radiation from background and foreground stars.

雖然前人對(duì)這個(gè)復(fù)合體中的3個(gè)源有了一定的研究,但是對(duì)它動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)不夠清晰.本研究首次對(duì)這個(gè)復(fù)合體開展5種分子譜線(12CO、13CO、C18O、HCO+和CS)成圖觀測(cè),對(duì)這個(gè)大質(zhì)量恒星形成復(fù)合體的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)研究.其中分子譜線C18O主要用來示蹤分子云核,其余4種分子譜線12CO、13CO、HCO+和CS用來示蹤復(fù)合體分子云的中的外向流.在多種分子譜線的觀測(cè)研究中,可以更為清晰地了解分子氣體的分布、分子云動(dòng)力學(xué)狀態(tài)等性質(zhì),從而全面了解分子云的恒星形成活動(dòng).文章的其余部分如下:在第2節(jié)介紹了數(shù)據(jù)觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理;第3節(jié)展示出了結(jié)果和相關(guān)的物理量參數(shù)計(jì)算;第4節(jié)對(duì)工作進(jìn)行了總結(jié).

2 觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理

2021年1月11日至17日,我們使用紫金山天文臺(tái)青海觀測(cè)站德令哈13.7 m毫米波望遠(yuǎn)鏡以l=50.28°,b=-0.45°為中心進(jìn)行了10′×10′的OTF(On-The-Fly)成圖觀測(cè).其中1月11日至13日觀測(cè)了12CO、13CO和C18O這3條分子譜線;1月14日至15日觀測(cè)了HCO+分子譜線;1月16日至17日觀測(cè)了CS分子譜線.該望遠(yuǎn)鏡采用了9波束超導(dǎo)成像頻譜儀陣列,工作模式為雙邊帶分離模式[18],其中分子譜線12CO、HCO+、CS在上邊帶,13CO和C18O在下邊帶.望遠(yuǎn)鏡還采用了快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)頻譜儀,該頻譜儀將1 GHz帶寬分為了16384個(gè)通道,每個(gè)通道為61 kHz.使用OTF觀測(cè)模式,以恒定的速率沿銀經(jīng)和銀緯方向隔行掃描,掃描間隔為15′′,接收機(jī)每隔0.3 s記錄一次數(shù)據(jù)[19],觀測(cè)到的數(shù)據(jù)會(huì)被網(wǎng)格化為30′′的像素單元.最終所有數(shù)據(jù)都通過GILDAS(Grenoble Image and Line Data Analysis Software)1http://www.iram.fr/IRAMFR/GILDAS.軟件中的Class和Greg軟件包處理得到.

文章中給出的所有結(jié)果均表示為主波束天線溫度Tmb=/ηmb,其中是經(jīng)過大氣改正的天線溫度,ηmb是望遠(yuǎn)鏡的主波束效率.在觀測(cè)中,每種分子譜線的典型的系統(tǒng)溫度Tsys也都不一樣.關(guān)于望遠(yuǎn)鏡的工作狀態(tài)和上述參數(shù)詳情參見紫金山天文臺(tái)青海觀測(cè)站的最新狀態(tài)報(bào)告2http://www.radioast.nsdc.cn/english/zhuangtaibaogao.php..表2中列出了分子譜線觀測(cè)的基本參數(shù),其中,Lines為分子譜線種類,Frequency是譜線的靜止頻率,HPBW(Half-Power BeamWidth)是半功率波束寬度,dV是速度分辨率.由于3個(gè)源在同一個(gè)觀測(cè)區(qū)域內(nèi),所以我們對(duì)觀測(cè)區(qū)域的每種分子探針進(jìn)行了主波束噪音均方根(root mean square,rms)的計(jì)算:12CO分子譜線的rms約為200 mK、13CO分子譜線的rms約為95 mK、C18O分子譜線 的rms約 為91 mK、HCO+分 子 譜 線 的rms約為95 mK、CS分子譜線的rms約為93 mK.

表2 分子譜線觀測(cè)的基本參數(shù)Table 2 Basic observation parameters of the observed molecular line

3 結(jié)果與分析

3.1 分子譜線成圖結(jié)果

我們對(duì)大質(zhì)量恒星形成復(fù)合體的觀測(cè)范圍約為10′×10′.我們采用相對(duì)坐標(biāo)的方式進(jìn)行繪制,其中心位置(0,0)為l=50.28°;b=-0.45°,然后分別對(duì)5種分子譜線的積分強(qiáng)度I進(jìn)行成圖,結(jié)果顯示在圖2(a)–(e).5種分子譜線的速度積分范圍都是10–21 km·s-1.對(duì)于12CO分子譜線的輪廓圖2(a)中黑色等高線由外向里的值為3–88 K·km·s-1,步長(zhǎng)為6.5 K·km·s-1.對(duì)于13CO分子譜線的輪廓圖2(b)中黑色等高線由外向里的值為1.5–15 K·km·s-1,步長(zhǎng)為1.2 K·km·s-1.對(duì)于HCO+分子譜線的輪廓圖2(c)中黑色等高線由外向里的值為0.5–5.6 K·km·s-1,步長(zhǎng)為0.5 K·km·s-1.對(duì)于CS分子譜線的輪廓圖2(d)中黑色等高線由外向里的值為0.4–3.7 K·km·s-1,步長(zhǎng)為0.4 K·km·s-1,對(duì)于C18O分子譜線的輪廓圖2(e)中黑色等高線由外向里的值為0.35–1.4 K·km·s-1,步長(zhǎng)為0.35 K·km·s-1.

圖2 5種分子譜線的積分強(qiáng)度圖.中心位置(0,0)為l=50.28°;b=-0.45°.速度積分范圍10 km·s-1＜VLSR＜21 km·s-1,VLSR為視向速度.Δb和Δl為相對(duì)坐標(biāo),I為積分強(qiáng)度.每種分子譜線的名稱都在子圖底部給出.等高線詳細(xì)請(qǐng)見上文描述.3個(gè)白色星號(hào)分別代表IRAS 19230+1506、IRAS 19232+1504和G050.3179–00.4186.Fig.2 Integrated intensity plot of five molecular lines.The central position(0,0)is l=50.28°;b=-0.45°.Speed integral range 10 km·s-1＜VLSR＜21 km·s-1,VLSR is the radial velocity.Δb andΔl are relative coordinates,and I is the integral intensity.The name of each molecular line is given at the bottom of the panel.The contour lines are described in detail above.The three white asterisks represent IRAS 19230+1506,IRAS 19232+1504 and G050.3179–00.4186.

從圖2成圖結(jié)果中可以看出,IRAS 19230+1506的信號(hào)強(qiáng)度要比其他兩個(gè)源的都要強(qiáng).另外,CO及其同位素分子譜線和CS分子譜線在這3個(gè)源中均被探測(cè)到,然而HCO+分子譜線只在IRAS 19230+1506和IRAS 19232+1504中被探測(cè)到,而在G050.3179–00.4186中未被明顯探測(cè)到(信號(hào)的峰值強(qiáng)度小于3倍的噪聲).

通過對(duì)比5種分子譜線的積分強(qiáng)度圖可以發(fā)現(xiàn),12CO和13CO分子譜線的輻射區(qū)域比另外3種分子譜線的輻射區(qū)域都要延展.12CO光學(xué)厚度較大,可用于追蹤相對(duì)高速的外向流氣體[20].13CO比12CO光薄,穿透力強(qiáng),能探測(cè)到較深的區(qū)域,一般作為氣體柱密度的主要探針,還可用于追蹤相對(duì)低速的外向流[21–22].C18O、HCO+和CS這3條分子譜線都是用來示蹤致密區(qū)域的分子探針,不過相較于C18O分子譜線,HCO+和CS分子譜線示蹤更為致密的區(qū)域.這5種分子譜線輻射區(qū)域的不同,可能跟各分子譜線的化學(xué)性質(zhì)和臨界激發(fā)密度有關(guān).除此之外HCO+分子譜線還廣泛用作研究分子云的塌縮活動(dòng)[23],也經(jīng)常被用來研究分子外向流,可用于追蹤相對(duì)高速的外向流.CS分子譜線一般在(亞)毫米波段容易被觀測(cè)到且光深不大,還能用于追蹤相對(duì)低速的外向流[24].

3.2 分子譜線特征

我們對(duì)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的12CO和13CO分子譜線(＞5σ,σ為分子譜線的噪聲水平)都采用moment-1(以譜線強(qiáng)度為權(quán)重的加權(quán)平均速度)的方法得到了分子云的速度場(chǎng),在圖3中畫出了12CO和13CO分子譜線的速度分布.這樣能更直觀地了解分子云的運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì).兩幅圖上均疊加了對(duì)應(yīng)分子的積分強(qiáng)度輪廓,背景顏色反映了速度的變化.通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),分子譜線12CO和13CO的速度分布相似,速度梯度變化主要集中在13–16 km·s-1之間.

在圖4中描繪出了3個(gè)源在發(fā)射峰值位置處的5種分子譜線輪廓.在沒有改變譜線輪廓的條件下,對(duì)C18O、HCO+和CS的發(fā)射峰譜線平滑4個(gè)通道用來提高信噪比,而12CO和13CO譜線的信噪比較高,則未采取平滑措施.表3列出了每個(gè)源在發(fā)射峰處分子譜線的基本參數(shù).其中,Tmb是主波束溫度,Vpeak是峰值速度,ΔV是譜線線寬.通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),IRAS 19230+1506每種分子的線寬和主波束溫度都大于另外兩個(gè)源,說明這個(gè)源的內(nèi)部恒星活動(dòng)相對(duì)劇烈,發(fā)生分子外向流活動(dòng)的可能性較大,這也證實(shí)了Johnston等[17]認(rèn)為IRAS 19230+1506中可能存在分子外向流的猜想.這3個(gè)源中的每種分子譜線線寬存在如下關(guān)系:ΔV12CO＞ΔVHCO+＞ΔVCS≈ΔV13CO＞ΔVC18O,譜線線寬使用ΔV表示,下標(biāo)為對(duì)應(yīng)的分子譜線.這一結(jié)果與Liu等[24]在研究分子外向流活動(dòng)中的結(jié)果一致.同一源中的5種分子譜線所示蹤的速度基本一致,其中IRAS 19230+1506中心速度為16 km·s-1;IRAS 19232+1504中心速度為14 km·s-1;G050.3179–0.4186的中心速度為13 km·s-1,與圖3速度分布結(jié)果相對(duì)應(yīng).

表3 分子譜線的基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of the molecular lines

圖3 12CO和13CO分子譜線的視向速度分布圖.中心位置(0,0)為l=50.28°;b=-0.45°.VLSR的范圍為10–21 km·s-1.等高線以12CO和13CO的積分強(qiáng)度為準(zhǔn).Fig.3 Velocity profiles of 12CO and 13CO molecular lines.The central position(0,0)is l=50.28°;b=-0.45°.The velocity range of VLSR is 10 to 21 km·s-1.The contour lines are based on the integral intensities of 12CO and 13CO.

圖4 3個(gè)源的分子譜線躍遷輪廓圖.分子譜線是在C18O發(fā)射峰位置處獲取得到,每個(gè)源的名稱在子圖底部給出.從上到下依次是12CO、13CO、C18O、HCO+和CS.Fig.4 Molecular lines transition profiles of three sources.The molecular lines were obtained at the position of the C18O emission peak.The name of each source is given at the bottom of each panel.From top to bottom the lines are 12CO,13CO,C18O,HCO+and CS respectively.

3.3 分子外向流形態(tài)

我們利用5種分子譜線的觀測(cè)數(shù)據(jù)來研究這個(gè)大質(zhì)量恒星形成復(fù)合體,除去C18O分子譜線用來示蹤致密云核外,其余4種分子譜線(12CO、13CO、HCO+和CS)都用來探測(cè)分子外向流.通常判斷分子外向流速度范圍的方法是采取C18O譜線輪廓作為對(duì)比,獲得12CO譜線輪廓的線翼速度范圍,也就是我們所需要的外向流速度范圍.具體的方法是先對(duì)12CO的譜線和C18O譜線進(jìn)行強(qiáng)度的歸一化,然后再使用歸一化之后的12CO譜線輪廓減去C18O譜線輪廓,得到的速度突起就是紅藍(lán)瓣外向流的速度范圍[8,22],如圖5陰影部分所示(其余的分子譜線圖見附錄1).然后再根據(jù)紅藍(lán)瓣的速度范圍畫出紅藍(lán)瓣的積分強(qiáng)度圖,并沿著可能是外向流延展的方向畫出位置-速度圖,并在位置-速度圖上也標(biāo)出了紅藍(lán)瓣的速度范圍.其余的分子譜線證認(rèn)外向流的方法與12CO分子譜線一致.表4中分別列出了3個(gè)源的外向流速度范圍,Δvr和Δvb分別為紅/籃瓣的速度范圍.IRAS 19230+1506在這4種分子譜線的觀測(cè)數(shù)據(jù)中都探測(cè)到了分子外向流,而IRAS 19230+1506和G050.3179–00.4186只在12CO和13CO分子譜線的觀測(cè)數(shù)據(jù)中探測(cè)到了分子外向流.

圖5 IRAS 19230+1506中12CO分子外向流的紅/藍(lán)瓣譜線圖.黑色譜線為C18O峰值速度處的發(fā)射譜線,對(duì)Tmb放大5倍以方便與12CO分子譜線做對(duì)比;藍(lán)色譜線是從藍(lán)瓣發(fā)射區(qū)域的峰值提取出來的,紅色譜線是從紅瓣發(fā)射區(qū)提取出來的;黑色豎線表示C18O譜線的峰值速度.圖中陰影部分表示紅/藍(lán)瓣的速度范圍.Fig.5 Red/blue lobe outflow for IRAS 19230+1506 of 12CO molecular line.The black line is emission-peak position of the C18O,and the Tmb is magnified five times to facilitate comparison with the 12CO molecular line.The blue line is extracted from the peak of the blue lobe emission region.The red line is extracted from the red lobe emission region.The black vertical line represents the peak velocity of the C18O.The shaded part of the figure indicates the velocity range of the red/blue lobes.

表4 分子外向流的紅/藍(lán)瓣速度范圍Table 4 Red/blue lobe velocity range of molecular outflow

紅外波段的觀測(cè)數(shù)據(jù)可以用來示蹤分子云中的恒星形成活動(dòng)[25].因此,我們利用紅外衛(wèi)星WISE(Wide-field Infrared Survey Explorer)在4.6、12和22 μm波段的巡天數(shù)據(jù),并結(jié)合C18O分子譜線示蹤出的致密核的位置與IRAS點(diǎn)源表Catalog2.13https://irsa.ipac.caltech.edu/Missions/iras.html.來尋找這3個(gè)源的外向流中心驅(qū)動(dòng)源.在圖6–8中,我們將分子譜線的等值線圖疊加在WISE的三色圖上,并在圖中用藍(lán)色點(diǎn)標(biāo)出分子譜線C18O所示蹤的致密核,即C18O分子譜線分別在這3個(gè)區(qū)域里面輻射最強(qiáng)的位置,白色五角星為IRAS源的位置.然后用肉眼來判斷圖中是否存在外向流中心驅(qū)動(dòng)源,判斷依據(jù)為紅外源是否與C18O示蹤出的致密核重疊,如果重疊則該外向流就是由與致密核成協(xié)的紅外點(diǎn)源驅(qū)動(dòng)的.最終得到了IRAS 19230+1506、IRAS 19232+1504和G050.3179–00.4186的外向流速度范圍,同時(shí)給出了分子外向流紅藍(lán)瓣的積分強(qiáng)度圖.

3.3.1 IRAS 19230+1506

圖6(a)–(d)分別給出了IRAS 19230+1506的12CO、13CO、HCO+和CS分子譜線的雙極外向流結(jié)構(gòu).其中12CO分子譜線的藍(lán)瓣速度范圍為11–13.5 km·s-1,紅 瓣 速 度 范 圍 為19–21 km·s-1.13CO分子譜線的藍(lán)瓣速度范圍為12–14 km·s-1,紅瓣速度范圍為18.5–20 km·s-1.HCO+和CS分子譜線的藍(lán)瓣速度范圍為12.5–14 km·s-1,紅瓣速度范圍為18.5–20.5 km·s-1.從HCO+和CS分子譜線的紅/藍(lán)瓣成圖結(jié)果可以看出,紅藍(lán)瓣偏離角度較小,幾乎重疊在一起無法分離.造成此情況的原因有兩個(gè):一是因?yàn)槭褂玫耐h(yuǎn)鏡的空間分辨率相對(duì)較低,從而無法分辨開外向流的雙極結(jié)構(gòu);二是因?yàn)榉肿油庀蛄鞯姆较虮旧硎茄又暰€的方向,從而使藍(lán)瓣部分和紅瓣部分重疊在一起[21].通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)HCO+分子譜線示蹤出的外向流波瓣相比于CS分子譜線的外向流波瓣比較大,其結(jié)構(gòu)也更為延展,說明對(duì)于IRAS 19230+1506而言,HCO+分子譜線比其他3種分子更適合探測(cè)該源的外向流特征.從圖中可以看出,C18O分子譜線所示蹤的致密核位置與IRAS 19230+1506的位置有偏差,但是在誤差范圍內(nèi),所以本研究工作認(rèn)為IRAS 19230+1506就是這個(gè)外向流的中心驅(qū)動(dòng)源.

圖6 IRAS 19230+1506分子外向流示意圖.圖(a)左圖是12CO分子譜線紅/藍(lán)瓣的積分強(qiáng)度圖,背景為WISE三色圖,其中藍(lán)色為4.6 μm、綠色為12 μm,紅色為22 μm.等值線從3σ(σ=0.27 K·km·s-1)開始以5σ為步長(zhǎng)進(jìn)行繪制增加.藍(lán)色點(diǎn)標(biāo)出C18O示蹤出致密核的位置,白色五角星為IRAS源的位置,綠色橢圓為IRAS源的誤差橢圓.圖(a)右圖是沿著圖(a)左圖中紫色箭頭方向的位置-速度圖,紅線表示源的中心速度,紅/藍(lán)瓣的速度范圍我們用虛線劃分出來.其他子圖表述跟圖(a)一致.不同的是圖(b)中13CO的等值線從8σ(σ=0.13 K·km·s-1)開始以2σ為步長(zhǎng)增加.圖(c)中HCO+的等值線從3σ(σ=0.14 K·km·s-1)開始以σ為步長(zhǎng)增加.圖(d)中CS的等值線從2σ(σ=0.12 K·km·s-1)開始以0.5σ為步長(zhǎng)增加.Fig.6 The diagram of molecular outflow in IRAS 19230+1506.The left figure of panel(a)is the integrated intensity map of the red/blue petals of the 12CO molecular line,and the background is the WISE three-color figure,where the blue is 4.6 μm,the green is 12 μm,and the red is 22 μm.The contours are drawn in steps of 5σ starting at 3σ(σ=0.27 K·km·s-1).The blue dot marks the position where C18O traces the dense core,the white pentagonal star is the position of the IRAS source,and the green ellipse is the error ellipse of the IRAS source.The right figure of panel(a)shows the position-velocity figure along the direction of the purple arrow in the left figure,the red line shows the center velocity of the source,and the speed range of the red/blue petals is divided by dashed lines.The other subfigure representations are the same as in panel(a).The difference is that the 13CO contours of panel(b)start at 8σ(σ=0.13 K·km·s-1)and increase in steps of 2σ.The HCO+contours of panel(c)start from 3σ(σ=0.14 K·km·s-1)and increase in steps of σ.The CS contours of panel(d)start at 2σ(σ=0.12 K·km·s-1)and increase in steps of 0.5σ.

3.3.2 IRAS 19232+1504

圖7(a)–(b)分別給出了IRAS 19232+1504的12CO和13CO分子譜線的雙極外向流結(jié)構(gòu).其中12CO分子譜線的藍(lán)瓣速度范圍為11–12.5 km·s-1,紅瓣速度范圍為17.5–19 km·s-1,13CO分子譜線的藍(lán)瓣速度范圍為11–13 km·s-1,紅瓣速度范圍為16.5–18 km·s-1.外向流的方向沿西北-東南方向延展.通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),12CO分子譜線示蹤出外向流的波瓣比13CO分子譜線的大并且更為延展,這說明12CO能追蹤外部相對(duì)高速的外向流,而13CO追蹤內(nèi)部相對(duì)低速的外向流.遺憾的是HCO+和CS分子譜線未能示蹤出這個(gè)源的外向流結(jié)構(gòu),原因可能是由于觀測(cè)積分時(shí)間不足導(dǎo)致的譜線信噪比較低.從成圖結(jié)果可以看出,C18O分子譜線所示蹤的致密核位置與IRAS 19232+1504的位置有偏差,但是在誤差范圍內(nèi),所以本研究工作認(rèn)為IRAS 19232+1504就是這個(gè)外向流的中心驅(qū)動(dòng)源.

圖7 IRAS 19232+1504分子外向流示意圖.圖(a)左圖是12CO分子譜線的紅/藍(lán)瓣的積分強(qiáng)度圖,背景為WISE三色圖,其中藍(lán)色為4.6 μm、綠色為12 μm而紅色為22 μm.等值線從8σ(σ=0.27 K·km·s-1)開始以3σ為步長(zhǎng)進(jìn)行繪制增加,藍(lán)色點(diǎn)標(biāo)出C18O示蹤出致密核的位置,白色五角星為IRAS源的位置,綠色橢圓為IRAS源的誤差橢圓.圖(a)右圖是沿著圖(a)左圖中紫色箭頭方向的位置-速度圖,紅線表示源的中心速度,紅/藍(lán)瓣的速度范圍我們用虛線劃分出來.圖(b)中13CO等值線從5σ(σ=0.13 K·km·s-1)開始以σ為步長(zhǎng)增加.其他表述跟圖(a)一致.Fig.7 The diagram of molecular outflow in IRAS 19232+1504.The panel(a)left is the integrated intensity map of the red/blue petals of the 12CO molecular line,and the background is the WISE three-color figure,where the blue is 4.6 μm,the green is 12 μm,and the red is 22 μm.The contours are drawn in steps of 3σ starting at 8σ(σ=0.27 K·km·s-1).The blue dot marks the position where C18O traces the dense core,the white pentagonal star is the position of the IRAS source,and the green ellipse is the error ellipse of the IRAS source.The panel(a)right shows the position-velocity figure along the direction of the purple arrow in the left figure,the red line shows the center velocity of the source,and the speed range of the red/blue petals is divided by dashed lines.The 13CO contours of panel(b)start at 5σ(σ=0.13 K·km·s-1)and increase in steps of σ.The other representations are the same as in panel(a).

3.3.3 G050.3179–00.4186

圖8(a)–(b)分別給出了G050.3179–00.4186的12CO和13CO分子譜線的雙極外向流結(jié)構(gòu).其中12CO分子譜線的藍(lán)瓣速度范圍為9–11.5 km·s-1,紅瓣速度范圍為16.5–19 km·s-1,13CO分子譜線的藍(lán)瓣速度范圍為10.5–12 km·s-1,紅瓣速度范圍為16–17 km·s-1.外向流的方向是沿西北-東南方向延展.同樣在這個(gè)源中,也未探測(cè)到HCO+和CS分子譜線的外向流結(jié)構(gòu),原因可能是由于觀測(cè)積分時(shí)間不足導(dǎo)致的譜線信噪比較低.從成圖結(jié)果可以看出,C18O分子譜線所示蹤的致密核中心位于紅藍(lán)瓣等值線交叉的位置,且與WISE波段輻射區(qū)域基本重合,所以認(rèn)為此外向流的驅(qū)動(dòng)源位于致密核中心.

圖8 G050.3179–00.4186分子外向流示意圖.圖(a)左圖是12CO紅藍(lán)瓣的積分強(qiáng)度圖,背景為WISE三色圖,其中藍(lán)色為4.6 μm、綠色為12 μm而紅色為22 μm.等值線從3σ(σ=0.27 K·km·s-1)開始以σ為步長(zhǎng)進(jìn)行繪制增加,藍(lán)色點(diǎn)標(biāo)出C18O示蹤出致密核的位置,圖(a)右圖是沿著(a)左圖中紫色箭頭方向的位置-速度圖,紅線表示源的中心速度,紅藍(lán)瓣的速度范圍我們用虛線劃分出來.圖(b)中13CO等值線從5σ(σ=0.13 K·km·s-1)開始以σ為步長(zhǎng)增加.其他表述跟圖(a)一致.Fig.8 The diagram of molecular outflow in G050.3179–00.4186.The panel(a)left is the integrated intensity map of the red/blue petals of the 12CO molecular line,and the background is the WISE three-color figure,where the blue is 4.6 μm,the green is 12 μm,and the red is 22 μm.The contours are drawn in steps of σ starting at 3σ(σ=0.27 K·km·s-1).The blue dot marks the position where C18O traces the dense core,the white pentagonal star is the position of the G050.3179–00.4186.The panel(a)right shows the position-velocity diagram along the direction of the purple arrow in the left figure,the red line shows the center velocity of the source,and the speed range of the red/blue petals is divided by dashed lines.The 13CO contours of panel(b)start at 5σ(σ=0.13 K·km·s-1)and increase in steps of σ.The other representations are the same as in panel(a).

3.4 外向流的物理性質(zhì)及分布

通過對(duì)這3個(gè)源的深度觀測(cè),我們計(jì)算了與它們相關(guān)外向流活動(dòng)的物理參數(shù),包括紅藍(lán)瓣的氫分子柱密度Nlobe、質(zhì)量Mlobe、外向流速度(外向流瓣相對(duì)核成分中心速度的相對(duì)速度)〈Δvlobe〉、長(zhǎng)度Llobe、動(dòng)量Plobe、動(dòng)能Elobe、動(dòng)力學(xué)時(shí)標(biāo)tlobe和機(jī)械光度(流出光度)Lm(lobe).根據(jù)這些分子譜線計(jì)算出來的物理量參數(shù)總結(jié)在表5–7中.通過對(duì)比3個(gè)源的流出物理量參數(shù)發(fā)現(xiàn),IRAS 19230+1506的流出物理量參數(shù)普遍比另外兩個(gè)源的高,說明該源的內(nèi)部活動(dòng)劇烈,向外噴出的物質(zhì)較多,損失率相對(duì)較大.這4種分子譜線計(jì)算出來的流出質(zhì)量Mlobe大約都在幾倍的太陽質(zhì)量(M⊙=2.0×1030kg);動(dòng)量Plobe大約為2.3-26.1M⊙·km·s-1;動(dòng)能Elobe大約為4.2-84.4×1045erg;動(dòng)力學(xué)時(shí)標(biāo)tlobe約為2.3-15.4×104yr;Lm約為幾倍的太陽光度(L⊙=3.845×1033erg·s-1).上述計(jì)算所得外向流的相關(guān)物理參數(shù),均落在Wu等[26]和Li等[13]大樣本外向流的物理參數(shù)統(tǒng)計(jì)范圍之中.

表5 IRAS 19230+1506分子外向流的物理參數(shù)Table 5 Physical parameters of molecular outflow in IRAS 19230+1506

從IRAS 19230+1506、IRAS 19232+1504和G050.3179–00.4186這3個(gè)源的外向流物理參數(shù)中可以看出,每種分子譜線計(jì)算得出的結(jié)果參數(shù)存在明顯差異.13CO分子譜線計(jì)算結(jié)果普遍大于另外3種分子譜線計(jì)算結(jié)果.對(duì)于同一個(gè)源使用不同分子譜線計(jì)算相同物理參數(shù)存在差異是由于不同分子的物理化學(xué)性質(zhì)不同,所示蹤的區(qū)域不同所導(dǎo)致的.

表6 IRAS 19232+1504分子外向流的物理參數(shù)Table 6 Physical parameters of molecular outflow in IRAS 19232+1504

表7 G050.3179–00.4186分子外向流的物理參數(shù)Table 7 Physical parameters of molecular outflow in G050.3179–00.4186

我們把上述計(jì)算出的12CO與13CO的外向流質(zhì)量、動(dòng)能、動(dòng)量、運(yùn)動(dòng)學(xué)時(shí)標(biāo)以及機(jī)械光度參數(shù),用直分布方圖形式繪制在圖9中,通過對(duì)比5組圖片可以看出12CO與13CO分子譜線計(jì)算出來的外向流參數(shù)結(jié)果存在明顯的差異.此外,同一種分子譜線對(duì)不同源進(jìn)行計(jì)算時(shí)得到的結(jié)果也存在明顯差異,這也間接說明外向流的性質(zhì)是由中心驅(qū)動(dòng)源本身決定的.

圖9 分子外向流的物理參數(shù)分布圖.紅瓣與藍(lán)瓣在圖中用顏色區(qū)分.橫坐標(biāo)給出了3個(gè)源的名稱,縱坐標(biāo)給出了物理量參數(shù)的名稱與單位.Fig.9 Physical parameter distribution diagram for the molecular outflow.The red and blue lobes are distinguished by color in the drawing.The abscissa gives the names of the three sources and the ordinate gives the names and units of the parameters of the physical quantities.

4 總結(jié)

我們利用紫金山天文臺(tái)青海觀測(cè)站德令哈13.7 m毫米波望遠(yuǎn)鏡對(duì)一個(gè)大質(zhì)量恒星形成復(fù)合體進(jìn)行12CO、13CO、C18O、HCO+和CS分子譜線成圖觀測(cè)研究,現(xiàn)研究的結(jié)果總結(jié)如下:

(1)首 次 發(fā) 現(xiàn) 了IRAS 19230+1506、IRAS 19232+1504和G050.3179–00.4186的外向流雙極結(jié)構(gòu),并且給出了具體的流出參數(shù).3個(gè)源都存在外向流特征并且都是大質(zhì)量外向流,說明同時(shí)在進(jìn)行恒星形成活動(dòng),并處于早期演化階段;

(2)12CO、13CO、HCO+和CS都能用來示蹤恒星形成區(qū)中源的外向流結(jié)構(gòu).對(duì)于12CO外向流結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的源,往往可以通過嘗試探測(cè)HCO+和CS譜線對(duì)其進(jìn)行探測(cè),或許可以獲得更為清晰的外向流結(jié)構(gòu);

(3)對(duì)于不同的源,同一種分子計(jì)算得出的外向流參數(shù)有明顯差異,說明分子外向流的性質(zhì)由中心驅(qū)動(dòng)源本身決定;

(4)12CO和HCO+分子譜線可用于追蹤相對(duì)高速的外向流,13CO和CS分子譜線可用于追蹤相對(duì)低速的外向流;

(5)不同分子譜線的線寬在相同尺度內(nèi)可能存在如下關(guān)系:ΔV12CO＞ΔVHCO+＞ΔVCS≈ΔV13CO＞ΔVC18O.

致謝這項(xiàng)工作利用德令哈13.7 m毫米波望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)展開研究,感謝紫金山天文臺(tái)青海觀測(cè)站對(duì)本課題提供數(shù)據(jù)支持.同時(shí)也非常感謝審稿人對(duì)本文提出的寶貴意見.

附錄

1 分子外向流的譜線信息

1.1 IRAS 19230+1506

圖10 IRAS 19230+1506中分子外向流的紅/藍(lán)瓣譜線圖.黑色譜線為C18O峰值速度處的發(fā)射譜線,對(duì)Tmb放大5倍以方便與12CO分子譜線做對(duì)比;藍(lán)色譜線是從藍(lán)瓣發(fā)射區(qū)域的峰值提取出來的,紅色譜線是從紅瓣發(fā)射區(qū)提取出來的;黑色豎線表示C18O譜線的峰值速度.圖中陰影部分表示紅/藍(lán)瓣的速度范圍.Fig.10 Red/blue lobe diagram of molecular outflow in IRAS 19230+1506.The black line is emission-peak position of the C18O,and the Tmb is magnified five times to facilitate comparison with the 12CO molecular line.The blue line is extracted from the peak of the blue lobe emission region.The red line is extracted from the red lobe emission region.The black vertical line represents the peak velocity of the C18O.The shaded part of the figure indicates the velocity range of the red/blue lobes.

1.2 IRAS 19232+1504

圖11 IRAS 19230+1504中分子外向流的紅/藍(lán)瓣譜線圖.黑色譜線為C18O峰值速度處的發(fā)射譜線,對(duì)Tmb放大5倍以方便與12CO分子譜線做對(duì)比;藍(lán)色譜線是從藍(lán)瓣發(fā)射區(qū)域的峰值提取出來的,紅色譜線是從紅瓣發(fā)射區(qū)提取出來的;黑色豎線表示C18O譜線的峰值速度.圖中陰影部分表示紅/藍(lán)瓣的速度范圍.Fig.11 Red/blue lobe diagram of molecular outflow in IRAS 19230+1504.The black line is emission-peak position of the C18O,and the Tmb is magnified five times to facilitate comparison with the 12CO molecular line.The blue line is extracted from the peak of the blue lobe emission region.The red line is extracted from the red lobe emission region.The black vertical line represents the peak velocity of the C18O.The shaded part of the figure indicates the velocity range of the red/blue lobes.

1.3 G050.3179–00.4186

圖12 G050.3179–00.4186中分子外向流的紅/藍(lán)瓣譜線圖.黑色譜線為C18O峰值速度處的發(fā)射譜線,對(duì)Tmb放大5倍以方便與12CO分子譜線做對(duì)比;藍(lán)色譜線是從藍(lán)瓣發(fā)射區(qū)域的峰值提取出來的,紅色譜線是從紅瓣發(fā)射區(qū)提取出來的;黑色豎線表示C18O譜線的峰值速度.圖中陰影部分表示紅/藍(lán)瓣的速度范圍.Fig.12 Red/blue lobe diagram of molecular outflow in G050.3179–00.4186.The black line is emission-peak position of the C18O,and the Tmb is magnified five times to facilitate comparison with the 12CO molecular line.The blue line is extracted from the peak of the blue lobe emission region.The red line is extracted from the red lobe emission region.The black vertical line represents the peak velocity of the C18O.The shaded part of the figure indicates the velocity range of the red/blue lobes.

2 流出參數(shù)計(jì)算公式

Snell等[27]于1984年給出了由12CO示蹤出H2柱密度N(H2)的計(jì)算公式:

在這個(gè)方程中,要積分的速度范圍是紅藍(lán)瓣的速度范圍.假設(shè)氣體處于局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)(LTE),X(12CO)=[12CO]/[H2]=10-4,X為豐度,dv為速度的微分,激發(fā)溫度Tex為30 K.

Wilson等[28]于2013年給出了由13CO示蹤出H2柱密度N(H2)的計(jì)算公式:

在這個(gè)方程中,要積分的速度范圍是紅藍(lán)瓣的速度范圍.假設(shè)氣體處于局部熱力學(xué)平衡狀態(tài).X(13CO)=[13CO]/[H2]=2×10-6,其中激發(fā)溫度Tex為30 K.

Yang等[29]于1991年 給 出 了 由HCO+示 蹤 出H2柱密度N(H2)的計(jì)算公式:

在這個(gè)方程中,要積分的速度范圍是紅藍(lán)瓣的速度范圍.假設(shè)氣體處于局部熱力學(xué)平衡狀態(tài),X(HCO+)=[HCO+]/[H2]=10-8.其中激發(fā)溫度Tex為15 K.

Tatematsu等[30]于1998年給出了由CS示蹤出H2柱密度N(H2)的計(jì)算公式:

在這個(gè)方程中,要積分的速度范圍是紅藍(lán)瓣的速度范圍.其中k是玻爾茲曼常數(shù)(1.38×10-16erg·K-1),h是普朗克常數(shù)(6.626×10-27erg·s),μd是電偶極距(1.96D),ν是躍遷頻率(97.981 GHz).假設(shè)氣體處于局部熱力學(xué)平衡狀態(tài).X(CS)=[CS]/[H2]=10-9,其中激發(fā)溫度為Tex為20 K.

外向流瓣的質(zhì)量Mlobe和長(zhǎng)度llobe的計(jì)算公式分別為:

其中Alobe為外向流瓣的面積,通常由峰值積分強(qiáng)度的40%的等值線包裹的區(qū)域來估計(jì).μ=2.72是平均分子量常數(shù)[31],mH是氫原子質(zhì)量(1.674×10-27kg)[5].此外,在用公式計(jì)算源的質(zhì)量時(shí),我們選取大于5σ的像素點(diǎn)包裹的區(qū)域?yàn)樵吹拿娣e,對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)的質(zhì)量求和得到源的質(zhì)量.

Plobe和Elobe都取決于〈Δvlobe〉,Llobe和tlobe的計(jì)算公式分別為:

其中,i和Ti分別是藍(lán)瓣和紅瓣線翼的通道編號(hào)和該通道上的主波束溫度,vi是該通道編號(hào)所對(duì)應(yīng)的速度,vpeak為譜線的中心速度,Δvres就是該通道的速度分辨率.Δvmax是外向流瓣相對(duì)核成分中心速度的最大速度.

3 譜線輪廓圖

圖13 我們對(duì)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的5種分子譜線按每角分生成出一個(gè)譜輪廓圖,每個(gè)線框代表一角分,采用相對(duì)坐標(biāo)系與前文相對(duì)應(yīng).圖(a)–(e)分別為12CO、13CO、C18O、HCO+和CS分子譜線Fig.13 We divided the five kinds of molecular lines in the observation area into a spectral contour map according to each angle,each line frame represents a corner,and the relative coordinate system is used to correspond to the above.Panels(a)–(e)are 12CO,13CO,C18O,HCO+and CS molecular lines respectively.

圖13 續(xù)Fig.13 Continued

圖13 續(xù)Fig.13 Continued