东亚VLBI携手ALMA揭秘大质量恒星形成区复杂外向流

  质量大于8个太阳质量的恒星虽然稀少,却深刻影响着星系的演化。它们是星系中重子物质和紫外辐射的主要来源。一个困扰已久的问题是:大质量恒星是否可以像类太阳恒星那样,在形成过程中产生吸积盘和准直的外向流。然而,由于大质量恒星形成区普遍离太阳系比较远(> 1 kpc),而且大质量恒星趋向于成团形成,使得大质量恒星形成的观测研究一直困难重重。这个问题只有借助高分辨率高灵敏度的干涉阵观测才能得到回答。 

  东亚(中日韩)天文学家于2015年发起了“VLBI观测大质量恒星形区的水脉泽和甲醇脉泽”的大型观测项目。近日,该项目组在国际天文学核心期刊天体物理学杂志(The Astrophysical Journal)发表了首批重要成果,在1.6万光年之外的大质量恒星形成区G25.82-0.17观测到复杂的外向流结构。该观测项目的成功表明用VLBI技术结合ALMA来研究大质量恒星的形成是可行的,而且潜力巨大。 

  1. VLBI观测大质量恒星形成区脉泽 

  脉泽(maser)的形成原理与激光(laser)类似,是分子在受激辐射后在射电波段产生的发射谱线。大质量恒星形成区中的脉泽发射区域非常靠近正在形成的原恒星,主要集中在吸积盘或者外流中尺度非常小的致密区域,称为“脉泽斑”。 

  脉泽斑非常明亮且致密,因此非常适合用甚长基线干涉测量(VLBI)技术来观测。VLBI技术是研究大质量恒星区小尺度结构的利器。该大型观测项目利用东亚VLBI(如图1所示)长期监测25个大质量恒星形成区的水脉泽和甲醇脉泽;并结合阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜(ALMA)进行亚毫米波观测。该项目组旨在研究“大质量原恒星如何从周围气体获取质量,以及大质量原恒星如何形成吸积盘和外向流”。

1. 东亚甚长基线干涉网(EAVN)。本研究利用了EAVN的子网(KaVa)KaVa由位于日本的天文广域精测望远镜(VERA)的四面镜子(红框内)以及韩国甚长基线干涉网(KVN)的三面镜子(黄框内)组成。
  2. 大质量恒星形成区G25.82-0.17中复杂外向流 

  利用ALMA,该项目组发现G25.82-0.17正形成一个大质量星团,其中最年轻的原恒星G25.82-W1质量约25倍太阳质量。超高分辨率(1200日地距离)ALMA观测发现其周围存在一个旋转的气体盘。 

  如图2所示,利用ALMA一氧化硅发射线的探测,该项目组发现了两个准直的外向流。南北方向的外向流具有大张角,而东南-西北方向的外向流非常纤细且准直。这些外流的速度可达每秒50千米。南北向的外流演化比较晚,是原恒星早期吸积活动形成的,而东南-西北向的外向很可能是最新形成的,与原恒星最近的吸积活动相关。这些观测也表明外向流或者吸积盘的方向会随原恒星的演化而近动。 

  “这项研究发现的准直的外向流及可能的盘结构表明,大质量恒星形成模式可能与类太阳小质量恒星形成模式相似”,韩国天文与空间科学研究院射电部主任、项目发起人之一金起兑博士(Kim Kee-Tae)解释道。 

KaVa在离原恒星1000日地距离的区域探测到了明亮的水脉泽斑(见图3右图)。这些脉泽斑位于外向流的最底部区域。“我们正在利用KaVa研究这些脉泽斑的运动,以期揭示大尺度外向流的驱动原理。”论文第一作者,日本国立天文台的博士生金廷河(Kim Jungha)解释道。

 

  2. ALMA G25.82-0.17的观测成图。蓝色和红色代表一氧化硅(SiO)分子谱线示踪的告诉分子外向流的空间分布。绿色是尘埃连续谱的发射。中间黄色区域是大质量年轻星形成的位置。 

  3. 展望 

  对G25.82-W1的观测是KaVaALMA的首次携手。“该成功观测表明了VLBI结合ALMA研究大质量恒星形成的可行性及巨大潜力。将来随着中国和泰国望远镜加入东亚VLBI(EAVN), EAVN的灵敏度和分辨率将显著提高。EAVN将成为研究大质量恒星形成区的利器”,日本国立天文台,该项目发起人之一广田朋也博士(Hirota Tomoya)说道。“上海天文台正规划的毫米波甚长干涉阵列(mm-VLBI)将成为EAVN的核心子阵,将主导EAVN。利用EAVN研究大质量恒星形成将成为上海天文台未来发展的重要方向。”项目组成员、上海天文台刘铁博士补充道。

  3. 左图:G25.82-0.17区域复杂外向流的示意图。锥形大致描绘了外向流的形态。右图:离原恒星1000日地距离处水脉泽斑的空间分布。 

  注:该项目组的合作单位有:日本国立天文台、综合研究大学院、大妻女子大学、山口大学;韩国天文与空间科学研究院、韩国科技大学;泰国国家天文研究所;中国科学院上海天文台、南京大学;南非西北大学及尼日利亚大学。 

    

  相关网页: 

  ALMA Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array  

  https://www.almaobservatory.org/en/home/ 

  EAVN East Asia VLBI Network  

  https://radio.kasi.re.kr/eavn/main_eavn.php  

  KaVA: KVN and VERA Array

  https://radio.kasi.re.kr/kava/main_kava.php

  KVN: Korean VLBI Network  

  https://radio.kasi.re.kr/kvn/main_kvn.php  

  VERA: VLBI Exploration of Radio Astrometry 

  https://www.miz.nao.ac.jp/veraserver/index.html 

  科学文章链接: 

  https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020ApJ...896..127K/abstract 

  https://www.miz.nao.ac.jp/veraserver/hilight/20200729_kavasfr/index-e.html 

 

 

 

 


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