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天马望远镜探测到星际空间最强甲醛分子脉泽辐射

  天马望远镜探测到截至目前最强的来自甲醛分子的脉泽辐射,其辐射强度比以前探测到的 9 个甲醛分子脉泽中最强的(约 2 Jy,出现在恒星形成区 NGC7538)高了一个量级,改变了人们对甲醛脉泽辐射的认识。该工作已经发表在《天体物理杂志快报》上(ApJL,2017,851: L3)。该工作从观测(2017 年 9 月)到接收(2017 年 11 月)发表,历时不到两个月,其重要性可见一斑。
  羟基、甲醇、水和一氧化硅等分子脉泽在银河系内恒星形成区或主序后星拱星包层中的分布广泛,而之前探测到的银河系内甲醛分子脉泽源只有 9 个,它们都来自于大质量恒星形成区,辐射频率在 4.8 GHz。由于探测到的甲醛脉泽源数目少,甲醛脉泽的搜寻是目前射电天文的一个重要观测课题。如此低的探测率可能与苛刻的甲醛脉泽激发条件有关,而且在恒星形成过程中,满足激发条件的时标又十分短暂,这都使甲醛脉泽成为研究恒星形成过程某一特殊阶段的重要工具,因此对甲醛脉泽激发机制的研究十分重要。
  目前关于甲醛脉泽的激发机制仍不清楚。早期研究提出了一些理论模型,如强的致密 HII 区射电连续辐射背景可以为甲醛脉泽抽运(即上下能级粒子数反转)提供必要的能量。但观测表明,除了 NGC7538 中呈现非常致密的 HII 区( EM >108 pc·cm-6),其他的甲醛脉泽源通常不具有这样致密的 HII 区环境,这意味着这种辐射抽运机制很难用于解释绝大部分甲醛脉泽辐射。另外有研究提出,甲醛脉泽可能是由碰撞抽运引起的,即膨胀 HII 区与星周星际介质碰撞产生的激波提供脉泽抽运所需能量。最近天马团队依据 NGC7538 中甲醛脉泽的光变特性(如图 1)提出,甲醛脉泽是在更快速的激波环境下激发的,其速度高达 80 km/s 以上(MNRAS,2017,466: 4364)。
  
  图 1 天马望远镜测得的 NGC7538 甲醛分子脉泽辐射及光变
  NGC7538 的 4.8 GHz 甲醛脉泽辐射(左图)及 14.5 GHz 甲醛辐射(中图),两个辐射成分用 Comp. I 及 Comp. II 标出,红色线代表对辐射成分的高斯拟合。右图:NGC7538 的 4.8 GHz 甲醛脉泽光变曲线,其中天马望远镜数据对应于最后一个历元(2016 年 4 月),其他数据来源于早期发表的文献。可以看出,两个脉泽辐射成分遵循相似的光变规律,但 Comp. II 相比于 Comp. I 有约 14 a 的延迟,预示高速激波(大于 80 m/s)正从 Comp. I 向 Comp. II 传递。
  基于此,该研究团队利用天马望远镜对一些典型的具有高速外流或喷流的大质量恒星形成区开展了甲醛脉泽的搜寻工作。该巡天观测成功地在一个恒星形成区(G339.88-1.26)探测到了截至目前最强(约 19 Jy)的甲醛分子脉泽辐射(如图 2)。特别值得一提的是,该源对天马望远镜的地平高度只有 12°。正是借助先进的主反射面主动调整系统,天马望远镜对此低俯仰源的观测实现了天线效率达 60%的最佳观测效果。
  
  图 2 利用上海天马望远镜在恒星形成区 G339.88-1.26 探测到的截至目前最强甲醛脉泽
  该源中 6.7 GHz 甲醇脉泽(左图)与甲醛脉泽(中图)谱轮廓比较。右图:天马望远镜 OTF 成图观测结果,其中蓝色实线为甲醛脉泽辐射,红色虚线为甲醛吸收,背景为 WISE 3.4 μm(蓝色)、4.6 μm(绿色)和 12 μm(红色)的三色图