[论文解读] Exploring GLIMPSE Bubble N107: Multiwavelength Observations and Simulations

V.P. Sidorin, Kevin A. Douglas+3 more|ASEP|Feb 23, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 45被引用 7

一句话总结

本研究通过多波长观测与流体动力学模拟，探究GLIMPSE气泡N107的物理特性及其起源。研究发现该气泡年龄可能小于2.25 Myr，分子质量为1.3×10⁵ M☉，并存在非热辐射射电源，暗示存在超新星遗迹，但该遗迹在物理上并不与气泡相关，挑战了‘如此年轻的气泡中不应存在超新星遗迹’的假设。

ABSTRACT

Context. Bubble N107 was discovered in the infrared emission of dust in the Galactic Plane observed by the Spitzer Space Telescope (GLIMPSE survey: l ~ 51.0 deg, b ~ 0.1 deg). The bubble represents an example of shell-like structures found all over the Milky Way Galaxy. Aims. We aim to analyse the atomic and molecular components of N107, as well as its radio continuum emission. With the help of numerical simulations, we aim to estimate the bubble age and other parameters which cannot be derived directly from observations. Methods. From the observations of the HI (I-GALFA) and 13CO (GRS) lines we derive the bubble's kinematical distance and masses of the atomic and molecular components. With the algorithm DENDROFIND, we decompose molecular material into individual clumps. From the continuum observations at 1420 MHz (VGPS) and 327 MHz (WSRT), we derive the radio flux density and the spectral index. With the numerical code ring, we simulate the evolution of stellar-blown bubbles similar to N107. Results. The total HI mass associated with N107 is 5.4E3 Msun. The total mass of the molecular component (a mixture of cold gasses of H2, CO, He and heavier elements) is 1.3E5 Msun, from which 4.0E4 Msun is found along the bubble border. We identified 49 molecular clumps distributed along the bubble border, with the slope of the clump mass function of -1.1. The spectral index of -0.30 of a strong radio source located apparently within the bubble indicates nonthermal emission, hence part of the flux likely originates in a supernova remnant, not yet catalogued. The numerical simulations suggest N107 is likely less than 2.25 Myr old. Since first supernovae explode only after 3 Myr or later, no supernova remnant should be present within the bubble. It may be explained if there is a supernova remnant in the direction towards the bubble, however not associated with it.

研究动机与目标

• 利用射电谱线与连续谱数据，确定H i和分子组分在气泡N107中的运动学距离、质量及膨胀特性。
• 利用DENDROFIND算法识别并表征气泡边缘的分子团块。
• 分析327 MHz和1420 MHz的射电连续谱辐射，推导谱指数并评估非热辐射的起源。
• 利用环形代码（ring code）模拟恒星驱动气泡的演化过程，估算气泡的年龄、能量输入速率及前身云的几何形态。
• 解决一个明显矛盾：即在年龄小于2.25 Myr的气泡中存在非热射电源，而超新星遗迹通常需在3 Myr后才可能形成，因此无法在气泡内部形成。

提出的方法

• 基于I-GALFA的H i数据与GRS的CO数据，利用径向速度和银河系旋转模型，推导出N107的运动学距离。
• 应用DENDROFIND算法将分子组分解为49个团块，从而实现对团块质量函数的分析。
• 从WSRT和VGPS巡天数据中测量327 MHz和1420 MHz的射电流量密度，以计算谱指数。
• 谱指数为-0.30，表明存在非热辐射，暗示可能存在超新星遗迹的贡献。
• 利用环形代码（ring code）对不同能量输入速率下的扁球形与长球形分子云中的气泡演化进行流体动力学模拟。
• 通过调整模拟以匹配观测到的角直径、膨胀速度及质量分布，得出年龄与能量输入的估算值。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于H i与CO谱线数据，GLIMPSE气泡N107的运动学距离与物理尺寸是什么？
• RQ2 原子与分子组分的总质量，特别是沿气泡边缘的总质量是多少？
• RQ3 在气泡内检测到的非热射电辐射的本质是什么？是否与超新星遗迹有关？
• RQ4 流体动力学模拟能否重现N107的观测形态与运动学特征？其对气泡年龄与能量输入有何启示？
• RQ5 为何一个年龄小于2.25 Myr的气泡中会出现非热射电源，而超新星通常需在3 Myr后才可能爆发？

主要发现

• N107的运动学距离为3.6 kpc，平均半径为11.9 pc，角厚度为2′26″。
• 与气泡相关的总H i质量为5.4×10³ M☉，总分子质量为1.3×10⁵ M☉，其中4.0×10⁴ M☉集中在边缘区域。
• DENDROFIND算法在气泡边缘识别出49个分子团块，其团块质量函数斜率为-1.1。
• 射电谱指数为-0.30，表明存在非热辐射，暗示可能存在超新星遗迹，但该遗迹在物理上并不与气泡相关。
• 数值模拟表明存在两种可行情景：一种为能量输入小于0.4×10⁵⁰ erg/Myr、年龄1.75–2.25 Myr的扁球形云；另一种为能量输入2.7×10⁵⁰ erg/Myr、年龄1 Myr的长球形云。
• 气泡的估算年龄小于2.25 Myr，与存在超新星遗迹相矛盾，表明该遗迹为视线方向上的偶然重合，而非物理关联。