得力達(dá)別爾得汗 加爾肯葉生別克 徐 燁 劉德劍 周建軍何玉新 朱春花 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)院大學(xué) 北京 100049)

(3中國科學(xué)院新疆天文臺 烏魯木齊 830011)

(4中國科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 烏魯木齊 830011)

(5新疆射電天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 烏魯木齊 830011)

(6中國科學(xué)院紫金山天文臺 南京 210023)

1 引言

質(zhì)量M大于8倍太陽質(zhì)量(M⊙)的大質(zhì)量恒星在宇宙演化中起著關(guān)鍵作用,然而大質(zhì)量恒星相對罕見、距離遙遠(yuǎn)、演化時(shí)標(biāo)短且深埋于分子團(tuán)塊中等特點(diǎn),使得對其觀測研究尤為困難.眾所周知,恒星形成于分子云之中,恒星形成的每一個(gè)過程都在其母體分子云中留下痕跡,因此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.如今大多數(shù)大質(zhì)量恒星形成研究也都是針對當(dāng)前正在形成恒星的致密分子云區(qū)域,細(xì)致地開展恒星形成的早期性質(zhì)研究[1],使我們對大質(zhì)量恒星形成區(qū)恒星形成活動的早期性質(zhì)有了更完整的認(rèn)識.然而,至今對更為早期的“星前”或“無星”階段的致密分子團(tuán)塊研究較少,致使我們對這一階段的認(rèn)識仍然不足.

近些年的觀測研究認(rèn)為大質(zhì)量恒星或星團(tuán)往往形成于紅外暗云(Infrared Dark Cloud,IRDC)中.紅外暗云指的是在紅外空間天文臺(Infrared Space Observatory,ISO)[2]和太空中途紅外實(shí)驗(yàn)室(Midcourse Space Experiment,MSX)[3–4]紅外巡天數(shù)據(jù)中,在明亮中紅外輻射的映襯下呈現(xiàn)暗弱輪廓的一類天體.近些年,通過分子譜線與塵埃連續(xù)譜的觀測研究,得出紅外暗云的典型尺度在1–10 pc,同時(shí)它們具有較低的溫度(T<25 K)、較高 的 密 度(～105cm?3)與 氫 分 子 柱 密 度(≥1023cm?2)[2,4–9].這些特征同時(shí)也進(jìn)一步表明紅外暗云極有可能是與最早期大質(zhì)量恒星成協(xié)的天體.因此,我們可以通過射電、毫米/亞毫米、紅外等波段探測紅外暗云中有可能誕生大質(zhì)量恒星的致密團(tuán)塊,研究它們的物理學(xué)性質(zhì)與運(yùn)動學(xué)特征,進(jìn)而對大質(zhì)量恒星形成的早期階段有更全面的認(rèn)識.

許多對紅外暗云團(tuán)塊的研究表明它們的典型質(zhì)量為120M⊙、尺寸約為0.5 pc[5].團(tuán)塊的光譜能量分布(Spectral Energy Distribution,SED)研究表明其塵埃溫度范圍在16–52 K之間[10].紅外暗團(tuán)塊中的恒星形成活動會使團(tuán)塊呈現(xiàn)出特定的演化序列,從冷的、中紅外暗狀態(tài),到產(chǎn)生可觀測到24μm[11]點(diǎn)源的熱核[12],最后到核中出現(xiàn)(超)致密電離氫區(qū)[13].同時(shí)致密紅外暗團(tuán)塊中經(jīng)常伴隨分子外流[14–15]和脈澤發(fā)射等活動[11,16].紅外暗云團(tuán)塊的高質(zhì)量、高密度和高柱密度等特征是形成大質(zhì)量恒星的關(guān)鍵因素.通過上述特征,我們發(fā)現(xiàn)紅外暗云為大質(zhì)量恒星形成最難以捉摸的早期階段–“星前”或“無星”階段提供了大量候選體[11,16–20],這些候選體是大質(zhì)量恒星和星團(tuán)誕生的理想位置[5,10].

阿塔卡馬探路者實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡(Atacama Pathfinder Experiment,APEX)在870μm波段的銀盤巡天工作ATLASGAL(The APEX Telescope Large Area Survey of the Galaxy)中獲得了大量的大質(zhì)量致密團(tuán)塊.Urquhart等[21]在2018年的研究工作中整理計(jì)算了這些團(tuán)塊的基本物理參數(shù),如光度、尺度、距離、質(zhì)量等,這為深入討論紅外暗云團(tuán)塊的性質(zhì)提供了基礎(chǔ).并且他們根據(jù)文獻(xiàn)[22]中的演化階段分類方法將團(tuán)塊劃分為4個(gè)階段:(1)星前階段(Prestellar/Quiescent clump,指無70μm輻射特征);(2)原恒星階段(Protostellar clump,指遠(yuǎn)紅外亮但24μm暗弱的團(tuán)塊);(3)包含年輕星的階段(YSO(Young Stellar Object)-forming clump,指具有24μm點(diǎn)源輻射的團(tuán)塊);(4)大質(zhì)量恒星形成階段(MSF clump,指24μm輻射明亮且存在大質(zhì)量恒星形成活動特征,如:電離氫區(qū)、II型甲醇脈澤、水脈澤等).因此,我們現(xiàn)在有機(jī)會可以系統(tǒng)地討論處于不同演化階段紅外暗云中的團(tuán)塊性質(zhì),并研究大質(zhì)量恒星形成以及其對周圍環(huán)境的反饋.

為了更好地研究紅外暗云與致密團(tuán)塊的性質(zhì),我們選擇了銀河系第1象限的9個(gè)紅外暗云,利用連續(xù)譜數(shù)據(jù)(紅外/亞毫米)、CO及其同位素分子的譜線,對其進(jìn)行了分析研究.在第2節(jié)中,我們描述了紅外暗云樣本的篩選與分析所使用的數(shù)據(jù);第3節(jié)給出了紅外暗云的輻射特征與形態(tài)并使用CO譜線輻射對團(tuán)塊參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算;第4節(jié)分析討論了團(tuán)塊的CO譜線輪廓、引力穩(wěn)定性及是否滿足恒星形成條件等;第5節(jié)對工作進(jìn)行了總結(jié).

2 數(shù)據(jù)與研究樣本選擇

2.1 紅外暗云樣本選擇

FUGIN(FOREST unbiased Galactic plane imaging survey with the Nobeyama 45-m telescope)巡天是對12CO、13CO和C18O分子的(1-0)躍遷開展的譜線成圖觀測(如文中無特殊說明,全文CO分子及同位素均為(1-0)躍遷).巡天觀測范圍(銀經(jīng)l=10?–50?,銀緯|b|≤1?)[23–25]在100 GHz附近的角分辨率約為20′′,速度分辨率約為0.16 km·s?1.從FUGIN CO譜線巡天項(xiàng)目觀測區(qū)域,我們結(jié)合Parsons等[26]源表中的紅外暗云位置,共選出了13個(gè)位于北天區(qū)的紅外暗云.為了接下來能開展相對可靠的數(shù)據(jù)分析和研究,我們僅保留了FUGIN數(shù)據(jù)中9個(gè)12CO、13CO、C18O譜線信噪比較高的紅外暗云作為本研究工作的樣本(具體見附錄圖5).Spitzer-GLIMPSE(Galactic Legacy Infrared Mid-Plane Survey Extraordinaire)[27]是一個(gè)中紅外巡天項(xiàng)目,望遠(yuǎn)鏡上搭載的IRAC(Infrared Array Camera)探測器工作在3.6、4.5、5.8和8μm波段.GLIMPSE的巡天范圍為10?

2.2 分子譜線數(shù)據(jù)

本研究中,我們所采用的分子譜線數(shù)據(jù)來自Nobeyama 45 m的CO及其同位素分子譜線巡天觀測和紫金山天文臺青海觀測站13.7 m射電望遠(yuǎn)鏡的CO譜線觀測.由于FUGIN觀測深度不夠,譜線的信噪比不適用于團(tuán)塊的運(yùn)動學(xué)特征分析,因此,選取了51個(gè)致密團(tuán)塊中FUGIN12CO速度成份比較簡單的6個(gè)團(tuán)塊(見附錄圖6),于2021年5月,使用紫金山天文臺青海觀測站13.7 m射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了觀測.此次主要觀測了CO分子及其同位素發(fā)射線.觀測模式為OTF(On The Fly)模式,典型的步長為10′′–15′′.每個(gè)具有1 GHz帶寬的快速傅里葉變換(FFT)光譜儀提供16384個(gè)通道,對應(yīng)輸出61 kHz的光譜分辨率1http://www.radioast.nsdc.cn/english/zhuangtaibaogao.php.數(shù)據(jù)處理使用GILDAS(Grenoble Image and Line Data Analysis Software)2http://www.iram.fr/IRAMFR/GILDAS軟件將OTF觀測的原始數(shù)據(jù)制作成像素為30′′×30′′的FITS(Flexible Image Transport System)格式數(shù)據(jù).表1列舉了PMO 13.7 m射電望遠(yuǎn)鏡的性能與CO分子躍遷的基本參數(shù)表,其中,Lines為分子譜線種類,Frequency是譜線的靜止頻率,Tsys是系統(tǒng)溫度,ηmb是主波束效率,HPBW是半功率波束寬度,dV是速度分辨率.

表1 PMO 13.7 m射電望遠(yuǎn)鏡的性能與CO分子躍遷的基本參數(shù)表Table 1 List of performance of PMO 13.7 m radio telescope and CO molecular transitions parameters

3 研究結(jié)果

3.1 紅外暗云的分子譜線輻射特征與形態(tài)

從附錄圖5展示的紅外暗云FUGIN巡天項(xiàng)目的CO譜線輪廓中,可見CO譜線在同一視線方向上展現(xiàn)出了多個(gè)速度成分,這些成分所對應(yīng)的輻射可能來自我們所研究的目標(biāo)源的前景輻射、背景輻射和其本身的輻射.為了區(qū)分出目標(biāo)源所對應(yīng)的速度成分,我們基于最基本的原理,即CO分子輻射空間分布在形態(tài)上應(yīng)該與塵埃輻射背景上的紅外暗云輪廓基本吻合,此時(shí)所對應(yīng)的CO分子輻射速度成分應(yīng)該來自紅外暗云自身的輻射.我們通過CO分子的譜線輪廓和速度通道圖來確定紅外暗云所對應(yīng)譜線成分的線心速度與速度分布范圍.圖中展示了9個(gè)紅外暗云所對應(yīng)的Spitzer 8μm連續(xù)譜背景上疊加了與紅外暗云輪廓基本吻合的13CO和C18O譜線積分強(qiáng)度等值線,圖片下方為紅外暗云的13CO和C18O平均譜線,圖中的黑色垂直虛線指示出了所對應(yīng)的速度范圍,紅色垂直虛線指示通過高斯擬合獲得的紅外暗云所對應(yīng)的系統(tǒng)速度.各個(gè)紅外暗云的速度區(qū)間都列在附錄表4中的第2列.我們發(fā)現(xiàn)這9個(gè)紅外暗云中有8個(gè)呈纖維狀結(jié)構(gòu)并且表現(xiàn)出多致密分子云核的結(jié)構(gòu),只有一個(gè)紅外暗云MSXDCG30.97-0.14中展示出一個(gè)致密分子云核.另外這些纖維狀結(jié)構(gòu)的脊交會在一起形成多個(gè)樞紐(纖維狀結(jié)構(gòu)脊連接的節(jié)點(diǎn)我們稱之為樞紐).研究表明纖維狀分子云結(jié)構(gòu)以脊為通道不斷為處于引力中心的致密核輸送燃料,最終位于樞紐位置的云核處將形成大質(zhì)量恒星[1].因此位于樞紐位置的團(tuán)塊往往具有更大的質(zhì)量.

3.2 紅外暗云團(tuán)塊的性質(zhì)

我們提取了ATLASGAL團(tuán)塊中心位置所對應(yīng)波束面積8.5′′×8.5′′內(nèi)的FUGIN巡天項(xiàng)目的CO分子3個(gè)同位素的(1-0)躍遷譜線.每個(gè)團(tuán)塊的譜線展示在附錄圖6中.其中一些團(tuán)塊的13CO的峰值強(qiáng)度較弱,沒有達(dá)到3σ閾值.因此,在此后的討論中我們只考慮13CO的峰值強(qiáng)度大于3σ(譜線峰值強(qiáng)度大于3倍譜線噪聲)的團(tuán)塊.基于此,最終一共有49個(gè)團(tuán)塊符合這一標(biāo)準(zhǔn).

激發(fā)溫度Tex可由12CO的峰值亮溫度估算,假設(shè)12CO分子譜線光學(xué)厚,并且波束的填充因子為1,即可通過以下函數(shù)根據(jù)12CO的峰值亮溫度估算激發(fā)溫度Tex[29–31]:

其中Tmb,12CO即12CO的峰值亮溫度.在12CO輻射受自吸收影響的位置,激發(fā)溫度的值可能會被低估.

我們假設(shè)13CO和C18O譜線的激發(fā)溫度與光學(xué)厚12CO譜線的激發(fā)溫度相同.在分子團(tuán)塊處于局部熱力學(xué)平衡的假設(shè)下,利用下列方程估算了13CO和C18O的光深:

其中

Tmb,13CO、Tmb,C18O分別為13CO與C18O的峰值亮溫度.

附錄表4中總結(jié)列出了所有上述計(jì)算所得到的物理參數(shù).為了研究紅外暗云中團(tuán)塊的性質(zhì),我們統(tǒng)計(jì)了團(tuán)塊物理參數(shù)的分布,圖1為團(tuán)塊CO譜線的激發(fā)溫度、質(zhì)量、尺度和光深的柱狀圖.從圖1中,我們發(fā)現(xiàn)紅外暗云中團(tuán)塊的典型激發(fā)溫度在10–15 K之間,平均值為14 K,最大值26.5 K,最小值6 K.這與Du等[32]得到的結(jié)果基本一致.我們計(jì)算的CO激發(fā)溫度高于由N2D+分子推得的溫度[33–34],低于NH3、HCO+、HCN[35–36]等分子推得的溫度.這可能是由于不同的分子示蹤分子云不同的區(qū)域,CO分子更傾向于示蹤溫度比較低的部分,亦或是因?yàn)橛^測的稀釋效應(yīng).附錄表3中紅外暗云團(tuán)塊所對應(yīng)的質(zhì)量平均值為2.3×103M⊙,其典型尺度在0.2–0.8 pc之間,平均尺度為0.7 pc[21].圖1中質(zhì)量統(tǒng)計(jì)直方圖中表現(xiàn)出明顯的雙峰結(jié)構(gòu),通過對雙峰所對應(yīng)團(tuán)塊與紅外暗云位置對比,我們發(fā)現(xiàn)質(zhì)量偏大的致密團(tuán)塊(對應(yīng)統(tǒng)計(jì)直方圖質(zhì)量偏大的峰)大部分位于紅外暗云的樞紐位置,這進(jìn)一步證實(shí)3.1節(jié)描述的關(guān)于纖維狀分子云物質(zhì)輸送的圖景.除此之外,τ13CO與τC18O的柱形分布圖展示了13CO與C18O的典型光深范圍分別為0.19–2.22與0.09–1.05,平均值分別為0.92與0.39.

圖1 紅外暗云團(tuán)塊的各個(gè)物理參數(shù)柱形圖:(a)激發(fā)溫度T ex,(b)團(tuán)塊質(zhì)量M clump,(c)團(tuán)塊大小R,(d)和(e)分別是13CO和C18O分子譜線的光深τ13CO、τC18O.光深源自GILDAS內(nèi)置的“高斯”擬合方法.團(tuán)塊的質(zhì)量和半徑來自Urquhart等[21].Fig.1 The histograms of the physical parameters towards the IRDC clumps:(a)excitation temperature T ex,(b)clumps mass M clump,(c)radius R,(d)optical depths of the 13CO linesτ13CO,(e)optical depths of the C18O lineτC18O.These peak optical depths are derived from the GILDAS built-in“Gaussion”fitting method.The clump mass and radius are from Urquhart et al[21].

4 討論

4.1 團(tuán)塊的CO譜線輪廓及其運(yùn)動學(xué)特征

譜線輪廓的不對稱性可以用來研究氣體的運(yùn)動狀態(tài).通常來說,藍(lán)輪廓(譜線輪廓表現(xiàn)出不對稱且藍(lán)端的峰值大于紅端)被認(rèn)為是氣體的下落或坍縮所導(dǎo)致;而紅輪廓(與藍(lán)輪廓同理,峰值出現(xiàn)在紅端)可被認(rèn)為是氣體的膨脹或外流導(dǎo)致的.對大多數(shù)團(tuán)塊,13CO是光薄的.而對一些13CO光厚的團(tuán)塊(光深比較大)或可能出現(xiàn)13CO自吸收的團(tuán)塊,我們采用C18O進(jìn)行分析.在這里,我們用Mardones等[37]所提出的歸一化判據(jù)來證認(rèn)藍(lán)/紅輪廓:

δv為Mardones等[37]定義的無量綱參數(shù),Vthick是光厚線12CO的峰值對應(yīng)的速度,Vthin、?Vthin分別是13CO或C18O的系統(tǒng)速度和線寬.對一些可能存在多個(gè)速度成分的團(tuán)塊,我們擬合了譜線主波束溫度最高的區(qū)間所對應(yīng)速度成分的線寬?Vthin.團(tuán)塊的δv值如果小于0.25,那么這個(gè)團(tuán)塊被認(rèn)為是藍(lán)輪廓,反之如果δv值大于0.25,那么這個(gè)團(tuán)塊被認(rèn)為是紅輪廓.51個(gè)團(tuán)塊中我們找到了21個(gè)有藍(lán)輪廓的團(tuán)塊和14個(gè)有紅輪廓的團(tuán)塊.我們經(jīng)過人工視覺檢查后,發(fā)現(xiàn)18個(gè)藍(lán)輪廓的團(tuán)塊和9個(gè)紅輪廓的團(tuán)塊可能是多速度成分導(dǎo)致的誤判,最終有3個(gè)被判定為藍(lán)輪廓團(tuán)塊,5個(gè)被判定為紅輪廓團(tuán)塊,我們將其標(biāo)示在附錄表4第8列中.

分子外流普遍存在于恒星形成區(qū)中,幾乎與恒星形成早期所有階段成協(xié)[38].為了探究團(tuán)塊的動力學(xué)性質(zhì),我們挑選了部分團(tuán)塊,對它們的外流進(jìn)行研究.由于大部分團(tuán)塊的速度成份都相對復(fù)雜,因此我們主要選取12CO速度成份較為簡單的團(tuán)塊進(jìn)行研究,即僅有單個(gè)或兩個(gè)速度成份的團(tuán)塊.最終有6個(gè)團(tuán)塊符合條件,分別是AGAL031.946+00.076、AGAL031.971+00.061、AGAL031.982+00.064、AGAL032.007+00.062、AGAL033.744-00.007和AGAL033.756-00.002.我們僅在4個(gè)源中探測到了外流現(xiàn)象,我們將其源名與外流速度范圍列在表2中,其中,VLSR是團(tuán)塊的線心速度,Vb是藍(lán)瓣外流的速度區(qū)間,Vr是紅瓣外流的速度區(qū)間.Lada[39]曾指出譜線的線翼部分可以通過對兩種示蹤不同密度的分子進(jìn)行輪廓對比來確定.12CO的分子譜線中結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,受其他因素影響較大,因此我們使用13CO和C18O分子譜線進(jìn)行外流搜尋證認(rèn)工作.由于C18O一般示蹤年輕恒星周圍的致密氣體區(qū)域,因此C18O被用作判斷和獲取外流活動在13CO譜線輻射所造成的高速線翼速度范圍的參考譜線[40].

表2 外流團(tuán)塊基本參數(shù)Table 2 Properties of outflow clumps

圖2(a)展示了AGAL031.946+00.076的外流剖析圖,可以從右圖中發(fā)現(xiàn)兩組雙極外流,其中一組位于圖像中心,一組位于圖像邊緣.位于中心的外流,我們可以清晰地觀察到雙極外流的特征,由于其位于中心,故認(rèn)為該外流與團(tuán)塊AGAL031.946+00.076成協(xié).而位于圖像邊緣的外流,則無法獲得其完整結(jié)構(gòu).圖2(b)為AGAL031.971+00.061的外流剖析圖,從這個(gè)團(tuán)塊中我們僅探測到了紅瓣外流,藍(lán)瓣由于受到來自左側(cè)輻射的干擾太強(qiáng),無法得到清晰的外流分布情況.圖2(c)展示的是AGAL 031.982+00.064的外流剖析圖,從外流的分布圖中可以觀察到清晰的雙極特征.圖2(d)為AGAL032.007+00.062的外流剖析圖,從外流分布圖中同樣可以發(fā)現(xiàn)兩組外流均呈現(xiàn)清晰的雙極特征,其中一組位于圖像中心,另一組則位于邊緣位置,我們認(rèn)為位于中心的外流與團(tuán)塊成協(xié).另外兩個(gè)團(tuán)塊AGAL 033.744-00.007和AGAL033.756-00.002,由于受周圍信號過多的干擾,難以對其外流進(jìn)行清晰的成圖.我們在其中4個(gè)團(tuán)塊中探測到了外流跡象,而未探測到外流跡象的兩個(gè)團(tuán)塊是由于受周圍信號干擾無法做出準(zhǔn)確的判斷,其次,我們繪制的13CO速度分布圖,這兩個(gè)團(tuán)塊也并未發(fā)現(xiàn)明顯的速度梯度.

Yang等[41]也曾利用13CO與C18O分子來搜尋ATLASGAL團(tuán)塊中的外流候選體.他們的工作中一共包含919個(gè)團(tuán)塊,其中325個(gè)團(tuán)塊被證認(rèn)為外流候選體.將這325個(gè)團(tuán)塊與本文紅外暗云中的團(tuán)塊進(jìn)行交叉匹配后,發(fā)現(xiàn)我們的團(tuán)塊樣本中,有13個(gè)團(tuán)塊與其證認(rèn)的外流候選體重疊,其中5個(gè)(39%)是MSF團(tuán)塊、5個(gè)(39%)是YSO團(tuán)塊、2個(gè)(15%)是Protostellar團(tuán)塊、1個(gè)(7%)為未確定演化階段的團(tuán)塊,Quiescent團(tuán)塊無對應(yīng)的外流候選體.而我們選取的在青海觀測站觀測的6個(gè)分子云團(tuán)塊中,有3個(gè)為YSO團(tuán)塊,3個(gè)為Quiescent團(tuán)塊,且YSO與Quiescent中均有兩個(gè)探測到了外流.Quiescent是K¨onig等[22]定義的,表示大質(zhì)量恒星形成早期階段,該階段表現(xiàn)出較弱的輻射,但可能已經(jīng)在坍縮,只是還沒有形成原恒星.而我們選取的3個(gè)Quiescent團(tuán)塊中,有2個(gè)探測到了外流,表明在一部分Quiescent團(tuán)塊中可能已經(jīng)有原恒星正在形成,我們認(rèn)為Quiescent團(tuán)塊很可能也與外流成協(xié).

在我們所選擇的51個(gè)團(tuán)塊中,原本有13個(gè)與外流候選體成協(xié)[41],在本文使用青海站望遠(yuǎn)鏡對6個(gè)12CO的速度成份比較簡單的團(tuán)塊觀測之后,在其中4個(gè)團(tuán)塊中探測到了外流,因此結(jié)合Yang等[41]的研究與本文的觀測,我們發(fā)現(xiàn)一共有17個(gè)團(tuán)塊與外流候選體成協(xié),其中YSO團(tuán)塊與Quiescent團(tuán)塊均增加了兩個(gè).所以,可以得出外流活動在各個(gè)階段的團(tuán)塊中都是普遍存在的,無論是YSO團(tuán)塊,還是Quiescent團(tuán)塊.同時(shí),在MSF團(tuán)塊和YSO團(tuán)塊中較高的外流探測率可能表明吸積隨著團(tuán)塊中恒星形成的演化階段而增加[42–45].我們的團(tuán)塊樣本中只有1個(gè)被證認(rèn)為是外流的候選體同時(shí)表現(xiàn)出藍(lán)輪廓.這一結(jié)果表明下落或塌縮團(tuán)塊中的外流活動探測率較低.

圖2 4個(gè)探測到外流現(xiàn)象的源的外流剖析圖.每個(gè)子圖的左圖為:外流中心發(fā)射點(diǎn)位置的譜線,黑色、藍(lán)色、紅色分別表示13.7 m射電望遠(yuǎn)鏡的12CO、13CO以及C18O的分子譜線,縱坐標(biāo)T mb為主波束溫度,橫坐標(biāo)V是速度,藍(lán)色陰影部分表示藍(lán)瓣外流的速度區(qū)間,紅色陰影部分表示紅瓣外流的速度區(qū)間,其中譜線經(jīng)過了5個(gè)通道的平滑.每個(gè)子圖的右圖為:外流的分布情況,其中底圖為C18 O的積分強(qiáng)度圖.Fig.2 Analysis diagram of outflow for four sources with detected outflow.The left panels of each subgraph are:the molecular spectral lines of 12CO,13CO and C18O of 13.7 m radio telescope in the center of outflow with black,blue and red lines.The ordinate T mb is the beam temperature and the abscissa V is the velocity.The blue shaded part is the velocity range of blue lobe outflow,and the red shaded part is the velocity range of red lobe outflow,in which the spectral lines are smoothed by five channels.The right panels of each subgraph are:distribution of outflow,the base map is the integral map of C18O.

圖2 續(xù)Fig.2 Continued

4.2 團(tuán)塊的穩(wěn)定性

評估團(tuán)塊是否處于引力平衡的重要參量是維里質(zhì)量Mvir:

其中σv是一維的速度彌散,它跟譜線半高全寬的關(guān)系為,其中?V為譜線線寬,G是萬有引力常數(shù).對于13CO光學(xué)厚和13CO譜線可能存在自吸收現(xiàn)象的團(tuán)塊,如C18O譜線強(qiáng)度達(dá)到3σ閾值,我們將采用C18O譜線的半高全寬.

維里系數(shù)由αvir=Mvir/Mclump表示.在不考慮磁場的情況下,若αvir<2,則團(tuán)塊是引力束縛的,并有可能進(jìn)一步塌縮,反之,團(tuán)塊的引力無法抗衡湍流或者熱壓力,可能會膨脹或彌散到星際空間中.我們展示了39個(gè)團(tuán)塊的Mclump和Mvir的關(guān)系圖,見圖3.圖中的黑色虛線表示Mclump=Mvir.我們的樣本中所有的團(tuán)塊都是引力束縛的,可能正處于引力塌縮階段.我們發(fā)現(xiàn)絕大部分的Quiescent團(tuán)塊維里參數(shù)都較小,這可能表明團(tuán)塊的維里參數(shù)與它們的演化階段有關(guān).MSF團(tuán)塊、YSO團(tuán)塊、Protostellar團(tuán)塊、Quiescent團(tuán)塊平均維里參數(shù)分別為0.2、0.18、0.24、0.13.

圖3 M clump和M vir的關(guān)系圖.黑色虛線表示關(guān)系式:M clump=M vir.左上角標(biāo)示了團(tuán)塊的不同演化階段.Fig.3 The relation graph between M clump and M vir.The black dotted line represents the relation of M clump=M vir.The name of the evolutionary stage is given on the top left corner of each panel.

4.3 大質(zhì)量恒星形成區(qū)

Carey等[3]提出紅外暗云是大質(zhì)量恒星形成的理想場所.近些年,這一猜測被大量的相關(guān)研究工作證實(shí)[46–48].目前被廣泛使用的判斷紅外暗云中團(tuán)塊是否滿足形成大質(zhì)量恒星的經(jīng)驗(yàn)方法是研究致密團(tuán)塊的質(zhì)量與其半徑的關(guān)系.

Lada等[49]分析了分布在500 pc內(nèi)的分子云的恒星形成速率與質(zhì)量之間的關(guān)系.指出恒星形成率并不取決于云的總質(zhì)量,而是取決于體密度.Lada等[49]、Lombardi等[50]提出了能有效形成恒星的團(tuán)塊臨界面密度為116M⊙·pc?2(0.024 g·cm?2).Heiderman等[51]將恒星形成速率與20個(gè)分子云的面密度進(jìn)行了擬合,這些分子云主要與中小質(zhì)量恒星形成以及大質(zhì)量致密團(tuán)有關(guān),擬合結(jié)果為129M⊙·pc?2(0.027 g·cm?2).Kauffmann等[52]對難以形成高質(zhì)量恒星的分子云團(tuán)塊進(jìn)行了分析,假設(shè)m(r)為分子云團(tuán)塊的質(zhì)量,r為大小,給出了更為嚴(yán)苛的大質(zhì)量恒星形成條件:m(r)≥870M⊙·(r·pc?1)1.33,這一點(diǎn)得到了Urquhart等[53]的證實(shí).

圖4展示了團(tuán)塊質(zhì)量與大小的關(guān)系圖,MSF團(tuán)塊、YSO團(tuán)塊、Protostellar團(tuán)塊、Quiescent團(tuán)塊分別用不同符號標(biāo)注在圖上.虛線指示出質(zhì)量為100M⊙的位置,圖中我們可以看出幾乎所有的團(tuán)塊質(zhì)量都滿足形成大質(zhì)量恒星的基本條件,即團(tuán)塊質(zhì)量大于100M⊙.圖中灰色陰影部分表示小質(zhì)量恒星形成區(qū)的范圍.下方的兩條實(shí)線分別對應(yīng)116M⊙·pc?2及129M⊙·pc?2,落在這兩條實(shí)線之上和左上方區(qū)域的源滿足恒星形成的基本條件.我們的源全都分布在這兩條實(shí)線之上.黑色實(shí)線表示圖中所有源最小二乘法擬合得到的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系lg(Mclump)=3.48±0.05+(1.17±0.12)×lg(R/pc),相關(guān)系數(shù)為0.83.Csengeri等[54]提出了團(tuán)塊形成大質(zhì)量恒星的質(zhì)量限制條件,研究認(rèn)為質(zhì)量大于650M⊙的致密團(tuán)塊中可能存在大質(zhì)量致密核和大質(zhì)量原恒星,圖中點(diǎn)劃線為指示出質(zhì)量為650M⊙的位置.我們研究樣本中有76%(39/51)的ATLASGAL團(tuán)塊的質(zhì)量大于這一閾值.灰色虛線為m(r)≥870M⊙·(r·pc?1)1.33,我們發(fā)現(xiàn)此研究工作中幾乎所有的團(tuán)塊都滿足了形成大質(zhì)量恒星的條件,只有一個(gè)團(tuán)塊沒有達(dá)到形成大質(zhì)量恒星的標(biāo)準(zhǔn).再次映證了這些團(tuán)塊是研究大質(zhì)量恒星形成早期階段的良好候選體.

圖4 團(tuán)塊質(zhì)量與大小的關(guān)系圖.MSF團(tuán)塊、YSO團(tuán)塊、Protostellar團(tuán)塊、Quiescent團(tuán)塊分別用不同符號標(biāo)注在圖上.灰色陰影部分表示小質(zhì)量恒星形成區(qū)的范圍.Kauffmann等[52]提出的大質(zhì)量恒星形成的下限為m(r)≥870 M⊙·(r·pc?1)1.33.右下方的兩條實(shí)線分別為116 M⊙·pc?2(0.024 g·cm?2)及129 M⊙·pc?2(0.027 g·cm?2),分別為Lada等[49]、Lombardi等[50]和Heiderman等[51]所提出的能有效形成恒星的團(tuán)塊質(zhì)量下限.黑色實(shí)線表示圖中所有源最小二乘法擬合得到的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系lg(M clump)=3.48±0.05+(1.17±0.12)×lg(R).點(diǎn)劃線指示出質(zhì)量為650 M⊙的位置,虛線則指示出質(zhì)量為100 M⊙的位置.Fig.4 Clump mass as a function of radius for MSF clumps,YSO clumps,Protostellar clumps and Quiescent clumps presented in different symbols.The shaded gray area indicates the extent of the low-mass star forming region.The threshold is m(r)≥870 M⊙·(r·pc?1)1.33 adopted from Kauffmann et al.[52].Two solid lines at the bottom right represented surface density thresholds for“efficient”star formation of 116 M⊙·pc?2(0.024 g·cm?2)(Lada et al.[49],Lombardi et al.[50])and 129 M⊙·pc?2(0.027 g·cm?2)(Heiderman et al.[51]).The black solid line represents the empirical relationship lg(M clump)=3.48±0.05+(1.17±0.12)×lg(R)fitted by all source using least square methods.The dot-dashed line indicates the position with a mass of 650 solar mass,and the dashed line indicates the position with a mass of 100 solar mass.

5 總結(jié)

我們利用12CO、13CO和C18O的分子譜線以及Spitzer 8μm巡天數(shù)據(jù)對9個(gè)紅外暗云進(jìn)行了研究.分析了紅外暗云的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及紅外暗云中團(tuán)塊的氣體性質(zhì),并對團(tuán)塊的恒星形成條件進(jìn)行了討論.主要的研究結(jié)果總結(jié)如下:

(1)在9個(gè)紅外暗云中,有8個(gè)紅外暗云呈纖維狀結(jié)構(gòu),并且其中包含至少兩個(gè)致密團(tuán)塊.僅一個(gè)紅外暗云MSXDCG30.97-0.14中只包含一個(gè)致密團(tuán)塊.基于ATLASGAL數(shù)據(jù),我們在這些紅外暗云中共找出51個(gè)致密團(tuán)塊,這些團(tuán)塊中的大質(zhì)量團(tuán)塊大都聚集在紅外暗云的樞紐位置.質(zhì)量統(tǒng)計(jì)直方圖中表現(xiàn)出明顯的雙峰結(jié)構(gòu),進(jìn)一步證實(shí)關(guān)纖維狀分子云物質(zhì)輸送的圖景;

(2)由12CO(1-0)計(jì)算所得的典型激發(fā)溫度Tex分布在10–15 K之間,平均值為14 K,低于通過致密分子推得的溫度.這不同的分子可能示蹤分子云不同的區(qū)域.團(tuán)塊的平均質(zhì)量為2.3×103M⊙,典型尺度在0.2到0.8 pc之間,平均尺度為0.7 pc;

(3)在51個(gè)團(tuán)塊中,最終證認(rèn)了3個(gè)藍(lán)輪廓的團(tuán)塊和5個(gè)紅輪廓的團(tuán)塊.在我們的研究樣本中,我們發(fā)現(xiàn)17個(gè)團(tuán)塊與外流的候選體重疊.在MSF團(tuán)塊和YSO團(tuán)塊中較高的外流探測率表明,在不同演化階段吸積率可能不同.同時(shí)我們還在Quiescent團(tuán)塊中探測到了外流活動,這表明外流活動可能在不同演化階段的致密團(tuán)塊中都普遍存在;

(4)我們還通過計(jì)算團(tuán)塊的維里參數(shù)來判斷它們的穩(wěn)定性.所有樣本都是引力束縛團(tuán)塊,可能正在發(fā)生引力塌縮;

(5)幾乎所有團(tuán)塊都滿足形成大質(zhì)量恒星的基本物理?xiàng)l件.這些團(tuán)塊的演化階段都處在比較早的時(shí)期,是研究大質(zhì)量恒星形成早期階段較理想的樣本.

致謝本工作利用了FUGIN的巡天數(shù)據(jù)及Spitzer-GLIMPSE巡天中的8μm圖像數(shù)據(jù)用于紅外暗云的檢查工作.感謝紫金山天文臺青海觀測站對本課題提供數(shù)據(jù)支持.同時(shí)也非常感謝審稿人對本文提出的寶貴意見.

附錄

1 紅外暗云積分強(qiáng)度分布圖與紅外暗云的分子譜線

圖5 9個(gè)紅外暗云FUGIN巡天項(xiàng)目的CO積分強(qiáng)度分布圖(a)–(i).積分強(qiáng)度分布圖上的紅色“+”標(biāo)出了團(tuán)塊的中心位置,左下角的圓表示CO數(shù)據(jù)的分辨率.Fig.5 The CO integral intensity maps of FUGIN project of 9 IRDCs(a)–(i).The“+”marks the centres of the clumps.The beam size is showed in the bottom-left corner of each diagram.

圖5續(xù)Fig.5 Continued

圖5續(xù)Fig.5 Continued

2 紅外暗云中團(tuán)塊的分子譜線

圖6 每個(gè)團(tuán)塊的12CO、13CO和C18O分子譜線(來自FUGIN巡天項(xiàng)目).分別用黑、藍(lán)、紅3種顏色畫在圖上.綠色平行虛線標(biāo)注了譜線數(shù)據(jù)的3σ閾值.藍(lán)色實(shí)線表示對13CO分子譜線高斯擬合后得到的中心速度位置,綠色豎直虛線標(biāo)示對C18O分子譜線高斯擬合后得到的中心速度位置.左上角還標(biāo)明了每個(gè)團(tuán)塊的名稱與團(tuán)塊的不同演化階段的類型.Fig.6 12CO,13CO,and C18 O spectra of each clump(using the data from FUGIN sky survey).For each plot,the lines of 12CO,13 CO,and C18O are coloured black,blue,and red,respectively.Green parallel dashed lines show the 3σthreshold of main-beam efficiency corrected data.Blue lines show the fitted centre velocities of 13CO,and green vertical dashed lines show the fittedcentre velocities of C18O for each clump.The source name and evolutionary stages are labelled at the top right.

圖6續(xù)Fig.6 Continued

圖6續(xù)Fig.6 Continued

3 紅外暗云中團(tuán)塊的物理參數(shù)

表3 ATLASGAL團(tuán)塊的物理參數(shù)Table 3 Physical properties of ATLASGAL clumps

表3續(xù)Table 3 Continued

表4 團(tuán)塊的譜線輪廓及參數(shù)Table 4 Line profiles and parameters of clumps

表4續(xù)Table4 Continued

表4續(xù)Table4 Continued