揭开漩涡星系中恒星创造的奥秘

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这幅图描绘了漩涡星系中二萱分子辐射(假色)的分布,与光学图像进行了比较。照片中的红色区域代表了发光的气体星云,其中包含炽热的大质量恒星,它们穿过旋臂中的气体和尘埃的黑暗区域。在这些黑暗区域中存在二氮,表明气体云特别冷和致密。图片来源:© Thomas Müller (HdA/MPIA)、S. Stuber et al. (MPIA)、NASA、ESA、S. Beckwith (STScI) 和哈勃遗产团队 (STScI/AURA)

这是第一次,银河系外星系中单个寒冷而密集的恒星形成云的特征被绘制在大范围内。

由马克斯·普朗克天文学研究所(MPIA)的天文学家领导的一个国际研究小组,以前所未有的细节精心绘制了银河系外星系中广阔的冷和致密气体区域,即未来的恒星苗圃。利用NOEMA干涉仪,这些观测覆盖了银河系内的广阔区域,提供了对有利于恒星形成的各种条件的见解。这些数据标志着这种测量的突破性成就,使研究人员首次能够在与单个气体云产生恒星一样微小的尺度上仔细研究银河系以外恒星形成的早期阶段。

漩涡星系中恒星的发源地

矛盾的是,炽热恒星的演化始于宇宙中一些最寒冷的领域——穿越整个星系的密集气体和尘埃云。“为了研究恒星形成的早期阶段,气体逐渐凝结最终产生恒星,我们必须首先确定这些区域,”海德堡马克斯普朗克天文学研究所(MPIA)的博士生Sophia Stuber说。她是该研究文章的主要作者,该研究文章将发表在《天文学与天体物理学》上。“为此,我们通常会测量在这些极冷和密集地区特别丰富的特定分子发出的辐射。

 

分子作为化学探针

天文学家通常使用HCN(氰化氢)和N2+(二氮)等分子作为化学探针来探索银河系内的恒星形成。“但直到现在,我们才能够在银河系外的星系内非常详细地测量这些特征,覆盖具有不同条件的各个区域,”MPIA研究小组负责人Eva Schinnerer解释说。“即使乍一看,很明显,虽然这两种分子有效地揭示了致密气体,但它们也揭示了有趣的差异。

通过与丰富的氢分子碰撞,这些氢分子本身就很难被检测到,其他分子被置于旋转状态。随着转速的降低,它们会发出具有特征波长的辐射,上述分子的波长约为三毫米。

这些测量是名为SWAN(与NOEMA一起调查Arcsecond的漩涡)的综合观测计划的一部分,该计划由波恩大学的Schinnerer和Frank Bigiel共同领导。利用法国阿尔卑斯山的无线电干涉仪Northern Extended Millimetre Array(NOEMA),该团队旨在研究漩涡星系(Messier 51)内部20,000光年内各种分子的分布,包括氰化氢和二氮鎓。除了该计划的214小时观测外,西班牙南部30米单碟望远镜的其他观测活动也补充了该数据集的约70小时。

“由于来自射电干涉仪的数据比望远镜图像复杂得多,因此处理和完善数据大约需要一年时间,”操作望远镜的机构无线电天文学研究所(IRAM)的杰罗姆·佩蒂(Jérôme Pety)指出。像NOEMA这样的干涉望远镜由多个单独的天线组成,共同实现了与主镜直径等于单个望远镜之间间距的望远镜相当的细节分辨率。

气体特性取决于环境

当我们从大约2800万光年的距离观察这个星系时,我们可以区分不同区域(例如中心和旋臂)中单个气体云的特征。“我们利用这种情况来确定这两种气体为我们追踪这个星系中浓密云层的程度,以及它们是否同样合适,”Stuber解释说。

虽然氰化氢和二氮的辐射强度在旋臂上不断增加和减少,为确定气体密度提供了同样可靠的结果,但天文学家发现银河系中心存在显着偏差。与偶氮相比,氰化氢发射的亮度在该区域增加得更显着。那里似乎有一种机制可以刺激氰化氢发出额外的光,这在偶氮鎓中没有观察到。

“我们怀疑漩涡星系中的活跃星系核是造成这种情况的原因,”Schinnerer说。这个区域围绕着中央大质量黑洞。在气体落入黑洞之前,它形成一个旋转的圆盘,加速到高速,并通过摩擦加热到数千度,发出强烈的辐射。这种辐射确实可能在一定程度上导致氰化氢分子的额外排放。“然而,我们仍然需要详细探索是什么使这两种气体的行为不同,”Schinnerer补充道。

一个有价值的挑战

因此,至少在漩涡星系的中心区域,与氰化氢相比,二氮似乎是更可靠的密度探针。不幸的是,在相同的气体密度下,它的光芒平均暗淡五倍,大大增加了测量工作量。所需的额外灵敏度是通过相当长的观察期实现的。

详细探索银河系外星系早期阶段的前景给科学家带来了希望。漩涡星系的如此清晰的视野对于银河系来说是无法获得的。虽然分子云和恒星形成区域在银河系中更近,但确定旋臂和云的确切结构和位置更具挑战性。

“虽然我们可以从漩涡星系的详细观测计划中学到很多东西,但从某种意义上说,这是一个试点项目,”Stuber指出。“我们希望将来以这种方式探索更多的星系。然而,由于技术能力的原因,这种可能性目前面临限制。漩涡星系在这些化学探针的光芒下格外明亮。对于其他星系,望远镜和仪器需要更加灵敏。

“目前正在规划中的下一代超大阵列(ngVLA)可能足够强大,”Schinnerer希望。如果一切顺利,它只会在大约十年后推出。在此之前,漩涡星系是一个丰富的实验室,可以在银河系尺度上探索恒星的形成。

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