一個大質量恒星形成復合體的動力學性質*

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 新疆大學物理科學與技術學院 烏魯木齊 830046)(2 中國科學院新疆天文臺 烏魯木齊 830011)(3 中國科學院紫金山天文臺 南京210023)(4 中國科學院射電天文重點實驗室 南京 210023)(5 新疆射電天體物理重點實驗室 烏魯木齊 830011)

1 引言

恒星形成研究是天體物理學的基本問題之一,該研究既有助于星系結構和演化的理解,又關系到行星的形成,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,同時又通過星風、物質、大質量恒星的UV(UltraViolet)輻射、超新星爆發等過程動態地改變著其母體分子云的環境.換而言之,恒星形成的每一個過程都會在母體分子云中留下痕跡,我們可以通過對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,對分子云物理化學環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和近紅外的觀測受到嚴重限制,然而這卻是毫米、亞毫米波段的用武之地.毫米、亞毫米觀測所研究的主要對象是分子云及其中發生的恒星形成過程中的各種成協現象[2].

目前小質量恒星形成的過程已經達成普遍共識,但是關于大質量恒星形成機制的細節仍然不清楚,所以繪制出大質量恒星形成的過程圖是一項極具挑戰性的工作[3–4].為了實現這一目標,研究分子云的動力學性質是至關重要的.同時分子外向流出現在大質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象[5].Zuckerman等[6]和Kwan等[7]于1976年用高靈敏度的觀測方法,在恒星形成區-獵戶座中測到第一個分子外向流.此后分子外向流的搜尋和研究蓬勃開展,無論在大質量恒星形成區,還是在小質量年輕星體周圍,均探測到了分子外向流.隨后許多研究人員對大質量恒星形成區中的分子外向流進行了研究[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,有必要對多種分子探針所示蹤的分子外向流進行系統研究[14].

在這項工作中,我們使用紫金山天文臺青海觀測站德令哈13.7 m毫米波望遠鏡對一個大質量恒星形成復合體進行了12CO、13CO、C18O、HCO+和CS的成圖觀測研究.本文的CO和HCO+分子譜線均為J=1-0,CS均為J=2-1,下文將角量子數省略.圖1是整個觀測區域在中紅外波段下的連續譜輻射圖.藍色背景代表4.5 μm的延展輻射,這種延展輻射主要由大質量年輕星外向流的反饋與星際介質碰撞而產生的激波激發CO和H2的能級躍遷而形成的;綠色背景是8 μm的連續譜輻射,主要來自有機大分子多環芳烴(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs),是其吸收大質量年輕恒星的遠紫外光子激發產生的;紅色背景是24 μm的輻射,主要來自熱塵埃的連續譜輻射.

在以往的研究中,這個復合體分子云主要由3個源組成,分別被命名為IRAS 19230+1506[15–17]、IRAS 19232+1504[17]和G050.3179–00.4186[17],在圖1中使用紅色箭頭標出.3個源的基本信息列在表1中,其中l和b分別表示銀經和銀緯,M為源的質量,M⊙為太陽質量.各個源的氣體質量是由德令哈13.7 m毫米波望遠鏡觀測的12CO分子譜線計算得到的,計算方法詳見文獻[18]和附錄2.Johnston等[17]在2009年利用中紅外、1.1 mm、3.6 cm和分子譜線的觀測數據研究了這個復合體分子云的物理性質和恒星形成活動.研究結果表明IRAS 19230+1506附近2.5′′處存在一個HII區,并給出了G050.3179–00.4186是一個大質量恒星形成區的觀測證據.但在IRAS 19232+1504中,由于沒有探測到熱塵埃和電離氣體的存在,他們認為這個源可能是寧靜的或處于恒星形成的早期階段.另外,他們認為IRAS 19230+1506中還可能存在分子外向流,但未進行證認.隨后Retes-Romero等[16]在2020年中指出我們所研究的復合體是一個位于1.3 kpc處的紅外暗云,線尺度約為4.2 pc.此外,在第3節中,我們在3個源中均探測到了雙極外向流活動,進一步證實此復合體位于運動學距離的近距離上(～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)數據疊加的三色圖(4.5 μm為藍色,8 μm為綠色,24 μm為紅色).3個波段的數據采用的數值范圍都是從最小到最大,采用的比例是線性的.白色框表示后續我們主要分析的重點區域.另外,4.5 μm輻射既包括恒星形成區的延展輻射,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.

雖然前人對這個復合體中的3個源有了一定的研究,但是對它動力學性質的認識不夠清晰.本研究首次對這個復合體開展5種分子譜線(12CO、13CO、C18O、HCO+和CS)成圖觀測,對這個大質量恒星形成復合體的動力學性質進行系統研究.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用來示蹤復合體分子云的中的外向流.在多種分子譜線的觀測研究中,可以更為清晰地了解分子氣體的分布、分子云動力學狀態等性質,從而全面了解分子云的恒星形成活動.文章的其余部分如下:在第2節介紹了數據觀測和數據處理;第3節展示出了結果和相關的物理量參數計算;第4節對工作進行了總結.

2 觀測與數據處理

2021年1月11日至17日,我們使用紫金山天文臺青海觀測站德令哈13.7 m毫米波望遠鏡以l=50.28°,b=-0.45°為中心進行了10′×10′的OTF(On-The-Fly)成圖觀測.其中1月11日至13日觀測了12CO、13CO和C18O這3條分子譜線;1月14日至15日觀測了HCO+分子譜線;1月16日至17日觀測了CS分子譜線.該望遠鏡采用了9波束超導成像頻譜儀陣列,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個通道,每個通道為61 kHz.使用OTF觀測模式,以恒定的速率沿銀經和銀緯方向隔行掃描,掃描間隔為15′′,接收機每隔0.3 s記錄一次數據[19],觀測到的數據會被網格化為30′′的像素單元.最終所有數據都通過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果均表示為主波束天線溫度Tmb=/ηmb,其中是經過大氣改正的天線溫度,ηmb是望遠鏡的主波束效率.在觀測中,每種分子譜線的典型的系統溫度Tsys也都不一樣.關于望遠鏡的工作狀態和上述參數詳情參見紫金山天文臺青海觀測站的最新狀態報告2http://www.radioast.nsdc.cn/english/zhuangtaibaogao.php..表2中列出了分子譜線觀測的基本參數,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個源在同一個觀測區域內,所以我們對觀測區域的每種分子探針進行了主波束噪音均方根(root mean square,rms)的計算: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 分子譜線觀測的基本參數Table 2 Basic observation parameters of the observed molecular line

3 結果與分析

3.1 分子譜線成圖結果

我們對大質量恒星形成復合體的觀測范圍約為10′×10′.我們采用相對坐標的方式進行繪制,其中心位置(0,0)為l=50.28°;b=-0.45°,然后分別對5種分子譜線的積分強度I進行成圖,結果顯示在圖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,步長為6.5 K·km·s-1.對于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,步長為1.2 K·km·s-1.對于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,步長為0.5 K·km·s-1.對于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,步長為0.4 K·km·s-1,對于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,步長為0.35 K·km·s-1.

圖2 5種分子譜線的積分強度圖.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為相對坐標,I為積分強度.每種分子譜線的名稱都在子圖底部給出.等高線詳細請見上文描述.3個白色星號分別代表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成圖結果中可以看出,IRAS 19230+1506的信號強度要比其他兩個源的都要強.另外,CO及其同位素分子譜線和CS分子譜線在這3個源中均被探測到,然而HCO+分子譜線只在IRAS 19230+1506和IRAS 19232+1504中被探測到,而在G050.3179–00.4186中未被明顯探測到(信號的峰值強度小于3倍的噪聲).

通過對比5種分子譜線的積分強度圖可以發現,12CO和13CO分子譜線的輻射區域比另外3種分子譜線的輻射區域都要延展.12CO光學厚度較大,可用于追蹤相對高速的外向流氣體[20].13CO比12CO光薄,穿透力強,能探測到較深的區域,一般作為氣體柱密度的主要探針,還可用于追蹤相對低速的外向流[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域.這5種分子譜線輻射區域的不同,可能跟各分子譜線的化學性質和臨界激發密度有關.除此之外HCO+分子譜線還廣泛用作研究分子云的塌縮活動[23],也經常被用來研究分子外向流,可用于追蹤相對高速的外向流.CS分子譜線一般在(亞)毫米波段容易被觀測到且光深不大,還能用于追蹤相對低速的外向流[24].

3.2 分子譜線特征

我們對觀測區域內的12CO和13CO分子譜線(＞5σ,σ為分子譜線的噪聲水平)都采用moment-1(以譜線強度為權重的加權平均速度)的方法得到了分子云的速度場,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動學性質.兩幅圖上均疊加了對應分子的積分強度輪廓,背景顏色反映了速度的變化.通過對比發現,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個源在發射峰值位置處的5種分子譜線輪廓.在沒有改變譜線輪廓的條件下,對C18O、HCO+和CS的發射峰譜線平滑4個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列出了每個源在發射峰處分子譜線的基本參數.其中,Tmb是主波束溫度,Vpeak是峰值速度,ΔV是譜線線寬.通過對比發現,IRAS 19230+1506每種分子的線寬和主波束溫度都大于另外兩個源,說明這個源的內部恒星活動相對劇烈,發生分子外向流活動的可能性較大,這也證實了Johnston等[17]認為IRAS 19230+1506中可能存在分子外向流的猜想.這3個源中的每種分子譜線線寬存在如下關系:ΔV12CO＞ΔVHCO+＞ΔVCS≈ΔV13CO＞ΔVC18O,譜線線寬使用ΔV表示,下標為對應的分子譜線.這一結果與Liu等[24]在研究分子外向流活動中的結果一致.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速度分布結果相對應.

表3 分子譜線的基本參數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的積分強度為準.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個源的分子譜線躍遷輪廓圖.分子譜線是在C18O發射峰位置處獲取得到,每個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

我們利用5種分子譜線的觀測數據來研究這個大質量恒星形成復合體,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12CO的譜線和C18O譜線進行強度的歸一化,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).然后再根據紅藍瓣的速度范圍畫出紅藍瓣的積分強度圖,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-速度圖上也標出了紅藍瓣的速度范圍.其余的分子譜線證認外向流的方法與12CO分子譜線一致.表4中分別列出了3個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種分子譜線的觀測數據中都探測到了分子外向流,而IRAS 19230+1506和G050.3179–00.4186只在12CO和13CO分子譜線的觀測數據中探測到了分子外向流.

圖5 IRAS 19230+1506中12CO分子外向流的紅/藍瓣譜線圖.黑色譜線為C18O峰值速度處的發射譜線,對Tmb放大5倍以方便與12CO分子譜線做對比;藍色譜線是從藍瓣發射區域的峰值提取出來的,紅色譜線是從紅瓣發射區提取出來的;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/藍瓣速度范圍Table 4 Red/blue lobe velocity range of molecular outflow

紅外波段的觀測數據可以用來示蹤分子云中的恒星形成活動[25].因此,我們利用紅外衛星WISE(Wide-field Infrared Survey Explorer)在4.6、12和22 μm波段的巡天數據,并結合C18O分子譜線示蹤出的致密核的位置與IRAS點源表Catalog2.13https://irsa.ipac.caltech.edu/Missions/iras.html.來尋找這3個源的外向流中心驅動源.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,并在圖中用藍色點標出分子譜線C18O所示蹤的致密核,即C18O分子譜線分別在這3個區域里面輻射最強的位置,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動源,判斷依據為紅外源是否與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的紅外點源驅動的.最終得到了IRAS 19230+1506、IRAS 19232+1504和G050.3179–00.4186的外向流速度范圍,同時給出了分子外向流紅藍瓣的積分強度圖.

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構.其中12CO分子譜線的藍瓣速度范圍為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/藍瓣成圖結果可以看出,紅藍瓣偏離角度較小,幾乎重疊在一起無法分離.造成此情況的原因有兩個:一是因為使用的望遠鏡的空間分辨率相對較低,從而無法分辨開外向流的雙極結構;二是因為分子外向流的方向本身是延著視線的方向,從而使藍瓣部分和紅瓣部分重疊在一起[21].通過對比發現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,其結構也更為延展,說明對于IRAS 19230+1506而言,HCO+分子譜線比其他3種分子更適合探測該源的外向流特征.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,所以本研究工作認為IRAS 19230+1506就是這個外向流的中心驅動源.

圖6 IRAS 19230+1506分子外向流示意圖.圖(a)左圖是12CO分子譜線紅/藍瓣的積分強度圖,背景為WISE三色圖,其中藍色為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為步長進行繪制增加.藍色點標出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構.其中12CO分子譜線的藍瓣速度范圍為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.通過對比發現,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能追蹤外部相對高速的外向流,而13CO追蹤內部相對低速的外向流.遺憾的是HCO+和CS分子譜線未能示蹤出這個源的外向流結構,原因可能是由于觀測積分時間不足導致的譜線信噪比較低.從成圖結果可以看出,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,所以本研究工作認為IRAS 19232+1504就是這個外向流的中心驅動源.

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/藍瓣的積分強度圖,背景為WISE三色圖,其中藍色為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為步長進行繪制增加,藍色點標出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構.其中12CO分子譜線的藍瓣速度范圍為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.同樣在這個源中,也未探測到HCO+和CS分子譜線的外向流結構,原因可能是由于觀測積分時間不足導致的譜線信噪比較低.從成圖結果可以看出,C18O分子譜線所示蹤的致密核中心位于紅藍瓣等值線交叉的位置,且與WISE波段輻射區域基本重合,所以認為此外向流的驅動源位于致密核中心.

圖8 G050.3179–00.4186分子外向流示意圖.圖(a)左圖是12CO紅藍瓣的積分強度圖,背景為WISE三色圖,其中藍色為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為步長進行繪制增加,藍色點標出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 外向流的物理性質及分布

通過對這3個源的深度觀測,我們計算了與它們相關外向流活動的物理參數,包括紅藍瓣的氫分子柱密度Nlobe、質量Mlobe、外向流速度(外向流瓣相對核成分中心速度的相對速度)〈Δvlobe〉、長度Llobe、動量Plobe、動能Elobe、動力學時標tlobe和機械光度(流出光度)Lm(lobe).根據這些分子譜線計算出來的物理量參數總結在表5–7中.通過對比3個源的流出物理量參數發現,IRAS 19230+1506的流出物理量參數普遍比另外兩個源的高,說明該源的內部活動劇烈,向外噴出的物質較多,損失率相對較大.這4種分子譜線計算出來的流出質量Mlobe大約都在幾倍的太陽質量(M⊙=2.0×1030kg);動量Plobe大約為2.3-26.1M⊙·km·s-1;動能Elobe大約為4.2-84.4×1045erg;動力學時標tlobe約為2.3-15.4×104yr;Lm約為幾倍的太陽光度(L⊙=3.845×1033erg·s-1).上述計算所得外向流的相關物理參數,均落在Wu等[26]和Li等[13]大樣本外向流的物理參數統計范圍之中.

表5 IRAS 19230+1506分子外向流的物理參數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個源的外向流物理參數中可以看出,每種分子譜線計算得出的結果參數存在明顯差異.13CO分子譜線計算結果普遍大于另外3種分子譜線計算結果.對于同一個源使用不同分子譜線計算相同物理參數存在差異是由于不同分子的物理化學性質不同,所示蹤的區域不同所導致的.

表6 IRAS 19232+1504分子外向流的物理參數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Table 7 Physical parameters of molecular outflow in G050.3179–00.4186

我們把上述計算出的12CO與13CO的外向流質量、動能、動量、運動學時標以及機械光度參數,用直分布方圖形式繪制在圖9中,通過對比5組圖片可以看出12CO與13CO分子譜線計算出來的外向流參數結果存在明顯的差異.此外,同一種分子譜線對不同源進行計算時得到的結果也存在明顯差異,這也間接說明外向流的性質是由中心驅動源本身決定的.

圖9 分子外向流的物理參數分布圖.紅瓣與藍瓣在圖中用顏色區分.橫坐標給出了3個源的名稱,縱坐標給出了物理量參數的名稱與單位.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

我們利用紫金山天文臺青海觀測站德令哈13.7 m毫米波望遠鏡對一個大質量恒星形成復合體進行12CO、13CO、C18O、HCO+和CS分子譜線成圖觀測研究,現研究的結果總結如下:

(1)首 次 發 現 了IRAS 19230+1506、IRAS 19232+1504和G050.3179–00.4186的外向流雙極結構,并且給出了具體的流出參數.3個源都存在外向流特征并且都是大質量外向流,說明同時在進行恒星形成活動,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中源的外向流結構.對于12CO外向流結構較為復雜的源,往往可以通過嘗試探測HCO+和CS譜線對其進行探測,或許可以獲得更為清晰的外向流結構;

(3)對于不同的源,同一種分子計算得出的外向流參數有明顯差異,說明分子外向流的性質由中心驅動源本身決定;

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

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

致謝這項工作利用德令哈13.7 m毫米波望遠鏡的觀測數據展開研究,感謝紫金山天文臺青海觀測站對本課題提供數據支持.同時也非常感謝審稿人對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/藍瓣譜線圖.黑色譜線為C18O峰值速度處的發射譜線,對Tmb放大5倍以方便與12CO分子譜線做對比;藍色譜線是從藍瓣發射區域的峰值提取出來的,紅色譜線是從紅瓣發射區提取出來的;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/藍瓣譜線圖.黑色譜線為C18O峰值速度處的發射譜線,對Tmb放大5倍以方便與12CO分子譜線做對比;藍色譜線是從藍瓣發射區域的峰值提取出來的,紅色譜線是從紅瓣發射區提取出來的;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/藍瓣譜線圖.黑色譜線為C18O峰值速度處的發射譜線,對Tmb放大5倍以方便與12CO分子譜線做對比;藍色譜線是從藍瓣發射區域的峰值提取出來的,紅色譜線是從紅瓣發射區提取出來的;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 流出參數計算公式

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

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

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

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

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

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

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

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

外向流瓣的質量Mlobe和長度llobe的計算公式分別為:

其中Alobe為外向流瓣的面積,通常由峰值積分強度的40%的等值線包裹的區域來估計.μ=2.72是平均分子量常數[31],mH是氫原子質量(1.674×10-27kg)[5].此外,在用公式計算源的質量時,我們選取大于5σ的像素點包裹的區域為源的面積,對每個像素點的質量求和得到源的質量.

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

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

3 譜線輪廓圖

圖13 我們對觀測區域內的5種分子譜線按每角分生成出一個譜輪廓圖,每個線框代表一角分,采用相對坐標系與前文相對應.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Fig.13 Continued

圖13 續Fig.13 Continued