太空中哪儿比较热?甲醛知道
来源:中科院之声   发布时间:2019-07-22
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  恒星形成与分子谱线 

  我们都在晴朗的夜空中看过星星。过去我们以为它们永远在那里,一成不变,所以叫它们恒星。现在我们知道,宇宙中的一切都有生有灭。星星也不例外,它也有自己的形成期、青壮年期和衰老期。

  青壮年期的恒星就像太阳一样,是一个熊熊燃烧的火球,不停歇的发着光和热,在黑暗的夜空中闪耀。到了衰老期,恒星先是变大成为红巨星,最终以爆炸的方式形成黑洞或中子星、或白矮星等致密天体。

  

  图1 银河系的CO分子云

  然而,我们对恒星的形成期的认识要少得多。这是因为恒星形成于致密的分子云中(如图1),厚厚的分子云像一层幕布遮住了舞台,让我们看不见舞台上正在表演的故事。幸运的是,分子云中包含了各种各样的分子。这些分子可以发射分米、厘米、毫米、亚毫米等不同波长的电磁波,我们称之为分子谱线。

  这些分子谱线与可见光最大的不同就是,它们可以穿过厚厚的分子云幕布,告诉我们分子云幕布后面发生的故事。这些分子谱线各有特点,有些来自于分子云核的外部,有些来自于分子云核的内部,有些跟分子云核内部的运动有关。

  因此,通过合适的分子谱线观测,我们就可以观测分子云内部发生的物理化学过程,研究揭示恒星是如何形成的。测量和研究致密分子云核的温度和密度就是恒星形成研究的一项重要的基础性工作。

  甲醛分子谱线:太空中的温度计和密度计甲醛(H2CO)在分子云中广泛存在,在厘米、毫米、亚毫米波段都有辐射,适合不同类型的望远镜观测。它是一种稍微不对称的陀螺型分子,对温度和密度敏感。

  

  温度和密度的变化可以改变甲醛分子在不同能级上的分布,从而引起甲醛分子谱线在不同波长上辐射强度的变化。观测不同波长的甲醛分子谱线,分析其强度,就可以知道分子云的温度和密度。甲醛分子的化学演化史简单,在各种环境都能稳定存在,而且丰度变化小。因此,甲醛分子是一种理想的太空温度计和密度计。

  近期,中国科学院新疆天文台恒星形成与演化团组使用甲醛分子作为分子气体探针,开展了系统的观测研究工作。

  分子云温度高、密度高的地方,有可能正在形成恒星在较大尺度的分子云中,没有形成恒星的地方温度和密度较低,而在形成恒星的致密分子云核中,温度和密度很高。通过测量分子云的温度和密度分布就可以知道分子云中哪些地方存在致密核,可以形成恒星。哪些地方温度高,正在形成恒星。

  

  

图2 南山26米射电望远镜

 

  科研人员使用南山26米射电望远镜(图2)对天鹰座(Aquila)巨分子云进行了甲醛吸收线(6cm)的大尺度成图观测,首次给出了分子云中甲醛吸收线激发温度的大尺度分布(如图3左)。

  从图中可以清楚地看到,W40电离氢区周围具有较高的甲醛激发温度,这缘于电离氢区的加热作用。两个致密核Serpens South和Serpens 3区域的激发温度明显升高,表明这两个区域正在进行剧烈的恒星形成活动。

  猎户座(Orion)巨分子云的温度分布(如图3右)显示,甲醛测得的气体温度与中红外波段尘埃辐射测量的结果一致,表明甲醛分子示踪了靠近恒星形成活动区域的较热气体。

  

图3 天鹰座(Aquila)巨分子云(左)和猎户座(Orion)巨分子云(右)的温度分布。

  在恒星形成过程中,致密核的密度不变,温度越来越高对于正在形成恒星的致密分子云核,由于恒星形成活动的加热,温度会不断升高。对银河系不同演化阶段大质量恒星区的观测研究发现,甲醛测量的气体温度从43K一直到300K以上(如图4)。

  

  

图4使用甲醛、氨分子和尘埃测量的内银河区100个大质量分子云团块的温度

  甲醛测得的气体温度和甲醛谱线线宽及分子云团块的光度相关,并且随着演化而增加,这表明高的光度对应着更大的湍流活动。甲醛测量的密度不随分子云团块的演化阶段而变化,但温度随着演化而上升。甲醛示踪的热气体可能受到分子云团块内部的大质量恒星形成活动的加热。针对最近的河外星系大麦哲伦云中恒星形成区的观测研究也得到了相似的结果。

  我们的研究表明甲醛是一种有效的分子云温度计和密度计,既可以探测弥散的分子云温度和密度,也可以探测致密核的温度和密度,适合研究从分子云到恒星的演化过程。我们正在使用南山26米望远镜在6厘米波段开展北天银道面甲醛巡天,将首次给出北半球银河系分子云的大尺度温度和密度分布。在此基础上,进一步使用毫米和亚毫米波段的甲醛谱线测量其中致密结构的密度和温度分布。通过这样的观测,我们有望在分子云演化和恒星形成的研究中取得一些突破性成果。

  相关成果发表于国际期刊(Tang et al. 2017, A&A, 598, A30; Tang et al. 2017, A&A, 600, A16; Tang et al. 2018, A&A, 609, A16; Tang et al. 2018, A&A, 611, A6; Komesh et al. 2019, ApJ, 874, 172)

       (来源:中科院之声 责任编辑:申敏夏)

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