尼斯湖的水怪,银河系的骨头

自从这篇文章出现之后,我听过的几个关于IRDC或者条形分子云的报告都有人提问:“它和银道面平行吗?”然后报告人心领神会地一笑:“银河系的骨头?”

标题:The Bones of the Milky Way
作者:Alyssa A. Goodman, Joao Alves, Christopher N. Beaumont, Robert A. Benjamin, Michelle A. Borkin, Andreas Burkert, Thomas M. Dame, James Jackson, Jens Kauffmann, Thomas Robitaille, Rowan J. Smith
论文索引:arXiv:1408.0001
编辑供稿:南京大学 吕行

关于红外暗云(IRDC)

Astroleaks网站已经有几篇文章(红外暗云中氨分子的甚大阵观测,银心的“砖块”也是一个IRDC:银心砖块——G0.253+0.016中的动力学和恒星形成G0.253 + 0:016:大质量年轻星团的分子云前身)介绍红外暗云(Infrared dark clouds, IRDCs)。一直以来IRDC的研究都集中在它和大质量恒星形成的关系,因为它的气体尘埃密度大、总质量大等特点很适合形成大质量的恒星或星团,而温度低说明它还处在较早的演化阶段,还没有被恒星形成活动所加热。例如:(~0.1 pc小尺度)Wang et al. 2014对于“蛇”红外暗云中致密分子云核中的大质量恒星形成的研究,(1 pc大尺度)Peretto et al. 2014对SDC13的条形结构的运动学研究,(化学)Sanhueza et al. 2013对G28.23-00.19的分子谱线的化学研究

红外暗云Nessie

Nessie也是一个典型的IRDC,由Jackson et al. (2010)发现,并以著名的尼斯湖水怪“Nessie”命名。它的运动学距离为3.1 kpc,恰好处在银河系的半人马臂中。

nessie
Nessie的红外三色图,等高线为Mopra的HNC积分强度,来自Jackson et al. 2010

如上图所见,Nessie在中红外波段表现为一个长达80 pc的条形结构,而分子气体例如HNC的分布和红外暗区吻合,说明它确实包含着大量的致密气体。图中最右侧是个电离氢区,因此Nessie中已经存在恒星形成。对于这类条形结构的Jeans碎裂,可以用类似MHD中的香肠不稳定性来分析,计算出理论上的单位长度的质量和碎裂形成的核的间距,然后和观测值比较。最近很多关于条形分子云的文章都做了这种分析(例如Wang et al. 2014Lu et al. 2014),结论是条形结构的碎裂仅依靠热运动无法支撑,需要来自湍流或者磁场的额外支撑,而且似乎临近的低质量恒星形成的条形结构的单位长度质量的典型值(十几-几十M_\odot/pc;例如CARMA的CLASSy的结果)要小于较远的大质量恒星形成区的典型值(>100\,M_\odot/pc)。

更大尺度:IRDC和旋臂的关系

不同于之前的IRDC的研究,本文从一个更大的视角来研究Nessie:一个站在银河系外的观察者会怎么看长条形的IRDC?它是否和银河系的旋臂结构有关系?

银河系旋臂结构的研究中,BeSSeL应该是目前最有影响力的,这篇astroleak有详细介绍。而本文则利用分子谱线的速度,试图还原Nessie所在的半人马臂的结构。本文假设Nessie实际的尺度比Jackson et al. (2010)所发现的更长,如果算上疑似和Nessie相关的沿银经方向的红外吸收的区域,Nessie的长度可达原来估计的8倍,见下图的红外图像所示。

首先,本文认为太阳并不在银盘的正中间(银纬=0),而是比实际的银盘平面高25 pc。银心(Sgr A*)也并不在银纬=0的位置上。考虑到这些位置的偏移,半人马臂的正中间可能处在IAU规定的银道坐标系的银纬=-0.5度附近,正好与Nessie的位置符合。如下图所示。

上图为考虑太阳位于银纬=0之上25 pc之后半人马臂中心的位置,下图为同时考虑银心也偏离7 pc之后的半人马臂中心位置。两图中虚线表示的中心都和Nessie的位置(银纬=-0.5度附近红外吸收的区域)吻合。来自Goodman et al. 2014

然后,作者利用HOPS巡天的NH_3谱线,发现Nessie内致密气体的速度与半人马臂的速度非常吻合,见下图。

来自Goodman et al. 2014
CO和NH3的速度-位置图,色阶为CO,黑点为Nessie内的NH3。黑线为拟合CO得到的整个半人马臂的速度曲线。来自Goodman et al. 2014

因此,Nessie和半人马臂的核心在空间-速度三个维度上都是吻合的。作者由此推测Nessie是旋臂中心最致密的区域,代表了半人马臂的“骨头”。

作者把观测结果与Smith et al. (2014)的高分辨率的模拟结果对比,发现模拟中确实在旋臂的中心产生了密度大的狭长结构,如下图。作者还预言,银河系中可能存在上百到上千的类似Nessie的长条形结构,一起构成了银河系的“骨架”。

来自Goodman et al. 2014。
Smith et al. (2014)的模拟结果的俯视图,旋臂中出现的高柱密度条形结构。来自Goodman et al. 2014

当然,不是所有观测到的细长的条形分子云都是类似Nessie的“骨架”,那些可能存在的“骨架”分子云也不一定容易地被观测到。目前Nessie还是唯一一块被观测到的“骨头”。本文作者的团队正在利用GLIMPSE寻找更多的长条形IRDC,并利用GRS,HOPS,MALT90等谱线巡天确定它们的速度,以发现其他可能的“骨头”(参见space.com的报道)。

最后值得一提的是,这篇文章是第一篇使用Authorea准备并发表的文章,而且有一个专门的网站The Bones of the Milky Way,有很多华丽的内容(比如这个)。文章的作者是Seamless Astronomy的积极推动者,大家有兴趣的话可以看这篇astroleak或者他们的网站。

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