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NGC 7538中非亚稳态氨分子的新脉泽发射

标题: NEW MASER EMISSION FROM NONMETASTABLE AMMONIA IN NGC 7538
作者: Ian M. Hoffman & Stella Seojin Kim
论文索引:arXiv:1105.2339
编辑供稿: 吕行 (南京大学)

背景介绍

氨分子 NH3 的分子谱线

氨分子NH_3 (以下简写成NH3)是第一种被发现的多原子(多于3个)星际分子,现在已经观测到氨分子的多种跃迁(转动,振动包括反演双重简并,超精细,磁超精细跃迁)。利用这些跃迁可以有效地示踪分子云内部的物理状态,例如,利用转动能级中某个亚稳态上的反演双重跃迁的超精细能级分裂, 可以得到反演跃迁辐射总的光深. 通过假设两个亚稳态上的激发温度、发射区域和线宽相同,带入前面得到的光深,可以得到相应的转动跃迁激发温度,由此可以计算动力学温度等性质。

NH3与脉泽也很有渊源,最早的人工制造的脉泽放大器之一就是查尔斯.汤斯等人用氨分子做出的。星际空间中的NH3脉泽主要来源于反演跃迁,其中发现了在正常辐射 比较少见的非亚稳态反演跃迁对应的脉泽。因为NH3转动能级中的非亚稳态一般会很快地通过远红外波段跃迁沿着“K阶梯”一路降到同一阶梯内的亚稳态上. 由于NH3丰度并不大, 反演跃迁的临界密度和激发温度都比较高, 正常的反演跃迁较弱,而在脉泽的情况下可以看到较强的辐射(非热辐射)。

Fig.1 NH3的能级图(振动能级取在基态),其中各转动能级用(J,K)表示,J代表分子的总角动量量子数,K代表前者在分子对称轴上的投影。具有同一K值的能级处在同一“K阶梯”上,阶梯最下面的能级J=K ( 也是最右边的那一竖列) ,称为亚稳态(metastable state);以上的J>K,称为非亚稳态(nonmetastable state)。一般转动能级跃迁的选择规则为ΔK=0,ΔJ=0,±1,所以只会在K阶梯上跃迁。不同K阶梯之间相对独立,但是也有可能发生ΔK=±3n的很慢的跃迁,这也是J=K的“亚稳态”名字的来源。图中K>0的每个转动能级都画出了反演双重简并结构,反演时可产生~1.3cm的射电辐射。注意右上角的示意图不代表反演跃迁的过程,实际跃迁发生在图示两个状态的不同混合态之间(感谢Dr. Junzhi Wang)。(来自Fig. 15.5, Tools of Radio Astronomy, 5th ed., T. L. Wilson, K. Rohlfs & S. Hüttemeister, Springer)

NGC 7538和NH3脉泽

NH3的很多个反演跃迁上都观测到过脉泽,例如(J,K)=(6,3),(5,4),(7,5),(9,6)等。(J,K)=(9,6)的脉泽是在1986年一次针对河内恒星形成区域的巡天中被首次发现,其中的 NGC 7538中的脉泽在那次的发现后很短的时间内有一次确认观测, 再之后就没有跟进的其他观测结果。NGC 7538是银河系内的一个发射/反射星云,距离地球2.8 kpc,是恒星形成的活跃区,目前发现的最大的原恒星就位于其中。

本文利用(E)VLA对 NGC 7538 中的IRS 1(一个原恒星)区域进行了NH3(9,6)脉泽观测,在这次观测中分辨出来在1986年的NRAO 43m 望远镜观测中未被分辨的的一个”新”发射空间/速度成份,并与其他多种脉泽辐射进行了比较。

观测结果

Fig.2 东南方的白色十字为vLSR=-60km/s的脉泽,西北方的黑色十字为vLSR=-57km/s的脉泽,十字的大小代表了位置的不确定度。背景的图像和轮廓是18.5GHz连续辐射。两个十字相距250±90毫角秒,东南方的脉泽距连续辐射中心150±70毫角秒。(来自原文Figure 1)

本文首先展示了作者在2008年使用 VLA 对IRS 1进行的18.5 GHz 连续谱观测,见图 2 背景。在2010年, 作者使用升级后的 EVLA 进行了静止频率为18499.390 MHz的氨分子脉泽观测,并且分辨出2个不同的空间成份, 2个成份的发射的速度分布也不同. 在vLSR=-60km/s和vLSR=-57km/s两个速度成份上均有显著的脉泽发射,见图3;前者在图2中为白色十字,后者为黑色十字。脉泽去卷积后的大小的上限约为2角秒,由此估计亮温度的下限为 2000K。

SE处的脉泽与之前1986年的的观测结果吻合。而NW处即vLSR=-57km/s的脉泽在27年前的一次观测中没有发现,所以这个速度成份的发射在过去的27年中至少增强了50倍。作者在随后使用 GBT 再次观测, 证实了这个新的脉泽源,而且它也与vLSR=-60km/s的脉泽有类似的不对称轮廓。

Fig. 3 IRS 1区域内的(9,6)脉泽辐射的谱线. 图像已经被卷积到4.6arcsec x 1.9arcsec, 因此可以代表整个区域的脉泽发射. 连续辐射的贡献已在uv平面内被去除。SE 和 NW 对应图2中的两个脉泽。SE处(vLSR=-60km/s)的脉泽具有非对称形状,可用两个高斯轮廓很好地拟合,见图中的虚线和点线。(来自原文Figure 2)

问题与讨论

1. 得益于很高的角分辨率,文章可以确认两个发射源与NGC 7538 IRS 1的关联以及2角秒的大小上限, 并且从而得到亮温度至少2000K。
2. 假设图3中两个高斯轮廓的宽度源于气体的热运动致宽,可得动力学温度~90K,远低于亮温度的下限 2000K. 而且, NH3 (9,6) 的激发温度为1100K,所以谱线是非热脉泽发射的机制。
3. SE处脉泽的近30年的不变性预示脉泽是饱和的,而上面提到拟合出的较窄的高斯线宽又似乎预示不饱和脉泽,如何解释?
4. 与IRS 1中其他脉泽的比较:与23.1GHz的II型CH3OH脉泽很相似,都有两个速度上的发射和相应的西北-东南的位置分布,两种脉泽可能处在相同的动力学环境中;不过CH3OH脉泽的线宽较大,时变很小,符合饱和脉泽的特征。22.8GHz的15NH3(3,3)的脉泽也有很多相似,包括速度和位置,但都没有强度变化。4.8GHz的H2CO脉泽在两个速度附近也有发射,但是形态大不相同,两个发射都在连续谱峰值的西侧,vLSR=-60.1km/s的脉泽在vLSR=-57.9km/s的脉泽更西侧;并且强度表现出与NW处NH3脉泽同样的变化。
5. II型CH3OH脉泽与NW处NH3脉泽的不同时变特征预示两者的激发机制不同。前者一般是红外辐射激发,后者推测可能是与IRS 1附近大团物质的碰撞而激发。如果H2CO脉泽的变化也是碰撞激发,同时知道两种脉泽同步变化而处于不同方位,那么这些物质很有可能是源于IRS 1的在南北方向的外流(射电连续谱的形态可用IRS 1喷射的双极外流模型解释)。因此,根据脉泽的激发情况,在IRS 1区域可能既有红外辐射又有物质外流。

延伸阅读

  • 关于星际氨分子的ARAA文章
  • 关于脉泽的ARAA文章
  • 关于氨分子脉泽
  • 饱和/不饱和脉泽:Chapter 16.2.2 of Tools of Radio Astronomy
  • NGC 7538 IRS 1的连续谱观测
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    讨论

    6 thoughts on “NGC 7538中非亚稳态氨分子的新脉泽发射

    1. 关于”什么情况下产生非亚稳态反演跃迁脉泽”,的问题等价于,”什么情况下,氨分子的转动能级布局显著偏离热布局,以致处于能量较高的非亚稳态转动能级的氨分子的数量,明显增多”,脉泽激发机制要么是辐射激发,及分子吸收光子跃迁至高能级,实现高能级粒子数目增多,要么就是碰撞激发,及通过碰撞实现高能级分子数目增多。要么就是辐射和碰撞共同作用,达到高能级粒子数目增多。具体这里氨分子的非亚稳态反转跃迁,文中认为是碰撞激发,原因:氨分子脉泽的时变规律和II型甲醇脉泽不同。对于II型甲醇脉泽的研究比较充分,普遍认为是吸收红外辐射实现布局偏离热布局(即粒子数反转)。此处的氨分子脉泽变化规律与II型甲醇脉泽不同,由此判断其激发机制可能是碰撞激发。

      Posted by ywwu | 五月 18, 2011, 11:32 上午
    2. 投稿辛苦,留言支持。

      Posted by ywwu | 五月 17, 2011, 6:36 下午
    3. 怎么能不赞扬?

      外行请教下,什么情况下才会出现非亚稳态反演跃迁的脉泽?

      Posted by shiaki | 五月 17, 2011, 11:01 上午

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