大质量恒星形成区G035.39–00.33中的小型星暴

(最近网上一个很热闹的事情就是ALMA对天线星系的最新观测结果了,随着ALMA的早期科学项目开始实施,远红外和亚毫米波天文也开始进入了一个新的时代,在这个时代中,虽然Herschel按照最乐观的估计也还有1年多些的使用寿命,但他仍然是非常值得期待的重要成员,我们也会争取更多的给大家介绍Herschel的观测结果;国庆假期刚刚过去,还是给大家介绍一篇相对轻松,也非常精彩的观测文章吧;其实对Hershcel和恒星形成都懂的很少,写不好,瞎写)

文章:The Herschel view of massive star formation in G035.39–00.33: a dense and cold filament of W48 undergoing a mini-starburst

  • 作者:Q. Nguyen Luong, F. Motte, M. Hennemann, T. Hill, K. L. J. Rygl, N. Schneider, S.Bontemps, A. Men’shchikov, Ph. André, N. Peretto
  • 论文索引:astro-ph/1109.3584
  • 编辑整理:南京大学 黄崧

背景知识

工作在远红外波段的Herschel是研究银河系内恒星形成的利器,尤其是涉及恒星前身和周围星际介质,比如尘埃的相互作用的时候,这些性质的观测可以和恒星形成中的一些基础问题联系起来,本文的观测属于Herschel的一个叫做”Hobys“ (Herschel imaging survey of OB Young Stellar objects),这个项目计划对太阳周围3Kpc以内所有的大质量恒星形成区都进行观测,最终可以为解释O,B型大质量恒星的形成提供重要的信息,本文的观测目标是一个被称为W48的分子云复合体(molecular complex),虽然我一直不了解这些银河系内的大质量恒星形成区是如何命名的,但是似乎这是一个比较有名的分子云复合体


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图1:由左至右依次是来自Hershcel PACS 70微米和SPIRE 250微米对这个纤维结构和其中点源的观测结果,最右侧的图展示了利用Hershcel观测和其他数据得到的温度和柱密度分布,其中颜色代表了温度,等值线代表了柱密度。

关于大质量恒星的形成,目前有一个逐渐浮现在天文学家面前的图像就是,大质量恒星的形成过程会经历比小质量恒星形成更加动力学活跃的过程;天文学家观测到大质量恒星多形成于被称为 Massive dense cores (MDC)的环境中,这类分子云结构的特征尺度在0.1pc左右,分子的体积密度一般在10^5 cm^{-3}以上,无论是红外亮度如何,其寿命一般都比较短;而且目前观测到其中的大质量原恒星形成活动多是来自小尺度上超声速的气体内流提供”养料“,比如参考Csengeri et al. 2011的工作。这两点,短的寿命和小尺度的快速气体内流结合来看,和通过HI气体流碰撞形成的分子云团和密度比较高的纤维状分子云结构的图像符合的很好。而且按照这个图像,分子云团中那些温度比较低,密度比较高的纤维状结构可能正是大质量恒星前身形成的所在,而被称为红外暗云(IRDC:Infrared Dark Cloud)的天体,可能就是这些纤维结构的一种表现,在观测上,IRDC看上去是MIR波段上一些暗的消光区域,这些区域从性质和形态上和模拟中分子云碰撞形成的结构很相似。在我们上文提到的W48分子复合体中,正好就有一个被称为IRDC G035.39–00.33的纤维状区域,这个距离我们3Kpc远的地方,10pc范围内有大概9000M_{\odot}的质量,其平均柱密度在1 \times 10^{22} cm^{-2}左右,这个区域是Spitzer观测到的最暗的IRDC之一,而且有SiO分子的发射观测,意味着其中很可能有激波过程作用在分子云中,本文正是用Hershcel观测对这个区域进行更加细致的观测。


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图2:Hershcel观测下的整个W48区域的分子云温度和柱密度的分布

本文观测

本文展示的是来自Hershcel上面两个远红外成像设备,PACS的70和160微米以及SPIRE设备的250,350和500微米的图像数据,并且用Spitzer的中红外观测和来自地面亚毫米波望远镜的数据进行了补充;和Spitzer的观测对比,IRDC结构一直到70微米都保持相对背景更暗的结构,但是到了160微米上就转而成为了发射结构;结合其他观测的数据,比如Spitzer,Planck还有IRAS的观测,作者对整个W48区域以Pixel为单位构建了尘埃谱能量分布,并通过模型拟合估计了尘埃温度和柱密度;在上图提供的尘埃温度和密度的分布中,可以清晰的看到在红外暗云中存在着很多的致密的和冷的结构;在Hershcel的图像上,整个纤维状结构有6pc长,1.7pc宽,而且有着很高的柱密度分布,不过和某些其他的大质量恒星形成区不同,暗云附近的温度更低一些;根据Herschel的观测,这个纤维状暗云中的质量在4000M_{\odot}左右,并且有着A_v>30 mag的可怕消光系数。

除了暗云的整体性质之外,本文最大的发现是在这个纤维状结构及其周围找到了28个致密的点源,关于如何从Hershcel的远红外观测数据中认证,分离,研究点源,其实有很多需要注意的技术细节,感兴趣的可以参考文章,这里大家可以带走的信息就是根据作者的估计,本文对点源的识别到5个太阳质量处都是比较完备的,因而可以很可靠的研究上文提到的那些和大质量恒星形成过程有紧密联系的大质量致密云核(MDC:我也不确定中文如何翻译最好);从这28个点源中,作者认证出了13个质量大于20个太阳质量的MDC,这些致密区域的质量分布在20-50太阳质量之间,尺度在0.1-0.2pc,是中等到大质量恒星形成过程的很好候选天体,根据观测,这些MDC大部分都分布在这个纤维状的IRDC内,并且其中包含有在红外波段不明亮的,正在形成中的原恒星。


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图3:G035.39–00.33红外暗云中部分区域的点源分布与之前的SiO分子发射分布的对比

本文观测的一个很有意思的推论就是如果结合这些点源的MDC本质和周围的环境,IRDC的性质以及前面提到的分子云碰撞产生这个纤维状结构的图像来看,W48中的这个大质量恒星形成活跃的区域很像正在经历一次小小的星暴(Starburst)活动,这个星暴可能就是由于分子云的碰撞引起,恒星形成效率在20%左右,波及的范围大概在8pc^2左右,目前的恒星形成率按照估计在40M_{\odot}/yr左右;另外结合以前关于SiO分子发射的观测和Hershcel的观测,发现有部分的SiO发射并不明显的和某个原恒星有直接的联系,这些弥散的SiO发射很可能来自纤维结构内快速向恒星形成的MDC流动的气体产生的激波,和很多天文学家之前推断的情况符合的很好。

这篇文章具体有多少特别惊人的结果或者新颖的物理图像,我觉得也说不上,之所以选择这篇文章只是因为我觉得它很好的展现了Hershcel能为我们研究银河系内的恒星形成贡献什么样的信息,起码到目前为止,这样的结果还只能由Hershcel带来吧。

延伸阅读:

  • 1. Hobys项目主页
  • 2. Caltech的Sean Casey主页上给出的一个IRDC的很好的例子
  • 3. Spitzer Dark Cloud数据库
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