矮星系HI介质中的空洞

(因为工作的关系,最近在有意识的补充一些射电观测,尤其是HI观测的知识;这篇工作刚好介绍了一个非常有意思的题目,而且是把恒星形成历史与HI分布,性质联系起来的工作,很对我的胃口,拿来和大家分享一下)

标题:The Formation of Kiloparsec-Scale HI Holes in Dwarf Galaxies
作者:Steven R. Warren, Daniel R. Weisz, Evan D. Skillman, John M. Cannon, Julianne J. Dalcanton, Andrew E. Dolphin, Robert C. Kennicutt, Jr., Barbel Koribalski, Juergen Ott, Adrienne M. Stilp, Schuyler D. Van Dyk, Fabian Walter, Andrew A. West
论文索引:astro-ph:1105.4117
编辑供稿: 黄崧 (南京大学)

背景介绍

为啥要研究矮星系的HI性质?

星际介质研究的重要性和HI气体的重要性在这里就无需赘述了吧,至于矮星系,这几年也是无比的热闹,除了很多对宇宙学和星系形成感兴趣人的理由:矮星系可能反应了星系形成早期阶段的一些性质,(所谓“Local Cosmology”)之外,另一个是很多人认为矮星系是研究恒星形成与星际介质相互作用的最好场所,恒星形成活动会产生各种辐射,星风,超新星暴发等反馈机制,这些机制对星际介质性质的影响是非常有意思的,可以看作恒星反馈的一种样板研究。在像银河系这样的盘星系中,由于恒星形成很多发生在较差自转主导的盘和旋臂上,恒星在形成后脱离其形成环境的时标比较短,还会有各种星族的混合,加上尘埃的影响,以及密集星场给空间分辨的观测造成的难度,使得很难准确的把某次恒星形成活动和周围的星际介质环境的特征联系起来;反观矮星系,第一,质光比很高,多数人相信他们可能是暗物质主导的,恒星几乎全部分布在刚性自转的区域,星族混合等影响很小;第二,可以获得到一定星等极限处的空间分辨的观测,即把矮星系中恒星的赫罗图画出来,可以相对细致的研究星族的组成和恒星形成的历史; 第三,尘埃的影响很小;这三条加在一起就成了利用矮星系研究HI等星际介质性质受恒星形成影响的主要原因。

其实早在上个世纪70年代,就已经发现邻近星系,包括很多矮星系的HI气体分布存在一些复杂,但是有组织的结构特征,比如空洞(Hole),壳层(Shell) 和空腔(Cavity),在一些矮星系中,空洞和空腔的大小甚至可以成为HI分布的主要特征。

HI气体中空洞可能由哪些过程形成?

1. 首先进入天文学家视野的显然是恒星形成活动,在矮星系中,恒星形成活动的强度和发生位置有一定的随机性,如果能够有一次比较集中的恒星形成,利用OB星协尺度上的星风或者是超新星暴发活动,似乎可以很直接的解释空洞的形成。但是问题是,能量吻合吗?就是说,恒星形成可以提供足够的能量在HI分布中吹出这样大的一个洞吗?如果我们可以复原恒星形成历史,就可以建立模型估计在某段时间内,形成的大质量恒星有多少,再根据星风和超新星的模型把它们提供的能量加起来,和产生空洞需要的能量相比较。除了一些假定,各种模型之外,看上去很直接是吧,但不同人利用不同星系做的工作给出的结果是不一样,甚至是互相矛盾的。

2. 另一个比较好玩的模型是Efremov et al. (1998) 和 Loeb & Perna (1998) 提出的利用一次GRB(伽马射线暴发)产生整个空洞的模型,这样由一颗恒星产生全部反馈能量的机制显然不需要和恒星形成历史联系的很紧密,因此看到了HI气体的空洞,但找不到刚形成的星团和年轻星族也是没有问题的,而且能量也是够的;但现在发现,这个模型的死穴在GRB的能量释放上,现在一般认为,GRB的能量释放主要集中在两个张角很小的辐射束内,而形成这么大的洞洞显然需要能量的释放具有更加各向同性的特点。

3. Wada et al. 2000; Dib & Burkert 2005 提出星际介质自身的热和引力不稳定性就可以形成这样的结构。这个工作是基于数值模拟提出的,而且也需要考虑恒星形成产生的反馈,具体的细节不了解,但很多人认为对于在矮星系中观测到的显著的空洞结构,这个模型可能不能给予合理的单独解释。

4. Elmegreen 1997 年提出了分形ISM的想法,这个模型完全从ISM中云团的组织情况入手,认为在扰动的ISM中的云团聚集情况不是随机的,而是按照某种分形组织起来的,可以自然的解释尺度到600pc左右的空洞区域的存在。这个模型很有意思,但是敢涉足分形的天文学家并不多,似乎没有太多的观测上的佐证。

5. 此外,Vorobyov & Shchekinov 提出了UV辐射场产生的HI气体稀释机制(dilution);Bureau & Carignan 2002 根据Holmberg I 矮星系提出的星系群环境下的冲压剥离机制 (Ram Pressure Stripping; 想想一下汽车开过放满报纸的桌子,报纸漫天飞舞的场景,大体就是这样。。。);还有 Tenorio-Tagle 1981 提出的高速云团(High-Velocity Cloud) 碰撞提供能量在HI气体中清空出一个空洞来的机制等等。

从某种程度上说,这些机制都有一定的物理基础和观测证据,他们很可能是通过共同作用产生了最终的HI气体中的结构;但,至少到目前,还是恒星形成的反馈活动产生的能量释放的可能性最大。一个可能的改善就是随着HST等高空间分辨观测把邻近矮星系的赫罗图揭示出来,我们对矮星系的恒星形成历史有了更好的了解,这样就不再依赖于以往对某个恒星形成区的观测,或者是简单的理论估算来的靠谱的多了。

如何估计形成空洞需要的质量?

看到一个星际介质的空洞,如何知道产生这个洞要多大的能量呢?早在1974年,Chevalier就给出了一个计算这个能量的公式,而且一直用到了现在;如果你知道空洞的大小: r,知道洞中介质的“膨胀”速度: v,以及初始条件下的HI体密度: n0,下面的公式至少可以给出一个大致的估计:

E_{Hole} = 5.3 \times 10^{43} (\frac{n_0}{cm^{-3}})^{1.12} (\frac{r}{pc})^{3.12} (\frac{v}{km s^{-1}})^{1.40}  erg

当然,无论何时,你在天体物理文章中看到这样的公式一定要想两个问题,第一:有啥假设在里面;第二:观测上怎么实现。对于这个公式,必须的假设是均匀分布的初始介质 (天啊,好可怕),观测上的难点也是估计出初始介质的体密度,(空洞的半径好测量,但是距离的误差会导致物理大小估计的不确定;由HI数据可以定出速度,虽然有的时侯看不到膨胀),这需要想法的估计介质分布的厚度,因为HI观测可以给出柱密度的估计,只要知道了厚度,或者是HI气体标高的估计,再根据均匀介质的假设,就可以估计出体密度。关于标高的估计,需要从动力学角度入手,如果知道了HI气体的比例和气体的速度弥散度,可以按照经典的盘标高公式 (van der Kruit 1981) 给出估计。

本文工作简介


fig1

Fig.1: 本文观测样本矮星系的一些性质; 包括了HI空洞的大小,恒星提供的能量的估计,产生空洞的最大和最小能量估计以及平均的星族年龄

本文的工作基于5个处于HI质量和B波段星等分布低端的矮星系 (具体性质看图一中的表格),利用VLA的HI分布,HST的恒星分布观测和地面的Ha窄带观测以及GALEX卫星的UV图象综合研究HI分布中看到的空洞和具体恒星形成过程之间的关系。如前所述,利用HST的观测给出了星系恒星形成历史的估计,再估算出恒星反馈释放的能量与空洞形成所需的能量相比。本文最主要的结论就是从星族演化的角度看,在某矮星系恒星形成阶段中,累计释放的能量以及超过了形成空洞所需要的能量,从能量预算的角度看,星族演化是合格的。但是 (永远都会有但是的),恒星形成史显示,没有某一次单独的恒星形成活动可以单独“挖坑”成功,Ha和UV观测也没有看到空洞中心存在年轻星团。文章给出的结论是:在合适的星际介质条件下,多代恒星形成活动可以提供能量,在HI气体中形成这样的空洞。

当然,这样说来,本文只考虑了恒星反馈这一种可能,给出的结论也是在一定的条件下,原则上,可以形成这样的空洞;但是这毕竟只是一家之言,正如前文所说,还有很多的机制的可能性不完全为零。虽然如此,本文还是为以后的观测,尤其是寻找这样有HI空洞存在的矮星系的前身星系,以及更合适的数值模拟的研究指明了前进的方向。

具体的细节不再赘述,仅以Sextans A这一个矮星系为例子,展示一下多波段观测的数据和恒星形成历史的复原。


fig2

Fig.2: Sextans A 的VLA HI观测,以及定出的HI空洞的位置和直径


fig3

Fig.3: HST观测给出的Sextans A 中恒星的赫罗图和根据星族模型定出的恒星形成历史,以及恒星反馈提供的能量随演化的累计


fig4

Fig.4: Sextans A 的地面Ha窄带观测,可以看到分布在周围的Ha纤维状结构和几个大质量星团,但在空洞区域内,似乎没有明显的类似结构存在。


fig5

Fig.5: Sextans A 的GALEX FUV观测,可以看到与上图Ha观测相对应的一些年轻恒星提供的结构,但空洞中心依然没有明显的年轻星团和大量年轻OB星的存在。

延伸阅读

  • 1. 关于计算矮星系HI气体标高的理论方法的文章
  • 2. Wada et al. 2000 关于ISM中空洞,纤维,团块的形成
  • 3. Elmegreen 1997 关于分形ISM中的结构的文章
  • 4. Vorobyov & Shchekinov 2004 关于星系盘上的HI空洞和暗物质分布的文章
  • 5. Mark Bureau 主页上关于矮星系的HI观测的一般介绍
  • 6. Workshop on Dwarf Galaxies as Astrophysical and Cosmological Probes (会议报告下载)
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    7 Replies to “矮星系HI介质中的空洞”

    1. 雪健

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      Fukui & Kawamura 2010 的ARAA文章综述了对本星系群中星系的射电观测研究,包括 M31, LMC, SMC (大小麦云)等一些矮星系 (主要是南天的)。他们也认为LMC等的supergiant bubble是由多代大质量恒星爆发导致的。图很漂亮,也可以看看。

      • Song Huang

        Chrome 11.0.696.71 MacIntosh

        这两个工作的样本还不是很一致,象LMC,我始终觉得不应该看作矮星系,他和M33的质量和光度都很接近,只是受环境影响形态严重扰动而已

    2. zhengcai

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      知情人士能否提示一下HST观测恒星的赫罗图后如何根据赫罗图和星族模型定出的恒星形成历史?

      • Song Huang

        Chrome 11.0.696.71 MacIntosh

        一言难尽,你看图中那个一坨状的赫罗图,虽然能分辨出主序,RGB和HB等结构,但是不能直接测量什么,现在的办法是利用演化星族模型,一个在某年龄出开始形成,初始质量函数为某某函数,初始金属丰度为某值的星族在我们看来,其赫罗图应该是什么样子的,有些象光谱拟合,只不过这时候关注的是赫罗图上恒星的密度分布;如果一个星族不够的话,可能还要加入多次的恒星形成;总之,和光谱的星族拟合一样,不确定性一样多,一样依赖于模型,但是精确程度和可信程度要高一些;主要的问题是赫罗图上不同类型的恒星的观测完备程度和消光是不一样的,比如红巨星显然要比低质量主序星容易观测和分辨,因此,拟合星族的时侯往往要用Monte Carlo的测试方法,尽量考虑进可能多的参数

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