[论文解读] Mass reservoirs surrounding massive infrared dark clouds: A view by near-infrared dust extinction

J. Kainulainen, J. Alves+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 57被引用 25

一句话总结

本研究表明，利用UKIDSS/银河系平面巡天数据进行近红外（NIR）尘埃消光图谱绘制，能够有效追踪距离达约8 kpc的巨星级红外暗云（IRDCs）周围的质量储藏。通过结合NIR消光、CO、8 μm和亚毫米波数据，作者发现IRDC复合体中约5–10%的云团总质量存在于致密核中，其累积柱密度分布与猎户座等活跃恒星形成区相似，而非静止云团。

ABSTRACT

Context: Infrared Dark Clouds (IRDCs) harbor progenitors of high-mass stars. Little is known of the parental molecular clouds of the IRDCs. Aims: We demonstrate the feasibility of the near-infrared (NIR) dust extinction mapping in tracing the parental molecular clouds of IRDCs at the distances of D = 2.5 - 8 kpc. Methods: We derive NIR extinction maps for 10 prominent IRDC complexes using a color-excess mapping technique and NIR data from the UKIDSS/Galactic Plane Survey. We compare the resulting maps to the 13CO emission line data, to the 8 μm dust opacity data, and to the millimeter dust emission data. We derive distances for the clouds by comparing the observed NIR source densities to the Besancon stellar distribution model and compare them to the kinematic distance estimates. Results: The NIR extinction maps provide a view to the IRDC complexes over the dynamical range of Av = 2 - 40 mag, in spatial resolution of 30". The NIR extinction data correlate well with the 13CO data and probe a similar gas component, but also extend to higher column densities. The NIR data reveal a wealth of extended structures surrounding the dense gas traced by the 8 μm shadowing features and sub-mm dust emission, showing that the clouds contain typically > 10 times more mass than traced by those tracers. The IRDC complexes of our sample contain relatively high amount of high-column density material, and their cumulative column density distributions resemble active nearby star-forming clouds like Orion rather than less active clouds like California. Conclusions: NIR dust extinction data provide a new powerful tool to probe the mass distribution of the parental molecular clouds of IRDCs up to the distances of D = 8 kpc. This encourages for deeper NIR observations of IRDCs, because the sensitivity and resolution of the data can be directly enhanced with dedicated observations.

研究动机与目标

• 评估近红外尘埃消光图谱在距离达约8 kpc范围内探测IRDC周围原生分子云质量分布的可行性。
• 将NIR消光数据与13 CO、8 μm和870 μm尘埃发射数据进行比较，以评估不同柱密度区域中示踪剂的一致性与互补性。
• 利用NIR源计数与Besançon恒星模型推导IRDC复合体的可靠距离估计，验证该方法在银河系距离下的准确性。
• 研究IRDC复合体的全局质量储藏与柱密度分布，与已知的恒星形成区（如猎户座）和静止云团（如加州星云）进行比较。
• 确立NIR消光图谱作为在IRDC环境中映射从低到高柱密度范围气体柱密度全动态范围的可行方法，且不受温度影响。

提出的方法

• 利用UKIDSS/银河系平面巡天数据，基于颜色过量技术构建NIR消光图谱，极限星等为K ≲ 19 mag。
• 空间分辨率达约30弧秒FWHM，柱密度动态范围为A_V ≈ 2–40 mag，覆盖10个IRDC复合体。
• 将NIR消光图谱与波士顿大学-FCRAO银河系环带巡天的13 CO发射线数据交叉相关，以识别气体组分。
• 将结果与斯皮兹勒IRDC星表的8 μm尘埃光学厚度图谱及ATLASGAL巡天的870 μm尘埃发射数据进行比较。
• 通过将观测到的前景恒星计数与Besançon银河系恒星分布模型对比，估算IRDC复合体的距离，精度达约15%。
• 通过积分柱密度分布生成累积质量函数，并与参考云团（猎户座A和加州星云）比较，以评估恒星形成活动水平。

实验结果

研究问题

• RQ1 近红外尘埃消光图谱是否能有效追踪距离达约8 kpc的IRDC周围低至中等柱密度结构？
• RQ2 NIR消光所追踪的质量储藏在质量和柱密度分布上，与13 CO、8 μm和亚毫米波尘埃发射所追踪的结果相比如何？
• RQ3 IRDC复合体的柱密度分布在多大程度上与活跃（如猎户座）或静止（如加州星云）分子云相似？
• RQ4 当结合恒星族模型时，NIR消光图谱能否为IRDC复合体提供可靠的距离估计？
• RQ5 与扩展的、低柱密度包层相比，致密IRDC团块中占总云团质量的比例是多少？

主要发现

• 仅使用中等深度的UKIDSS/GPS数据，NIR尘埃消光图谱即可在约30弧秒的分辨率下，成功追踪IRDC复合体在A_V ≈ 2–40 mag的动态范围内质量分布。
• NIR消光图谱显示，IRDC复合体中通常有5–10%的总云团质量存在于致密团块中，其余质量则分布在扩展的、低柱密度包层中。
• IRDC复合体的累积柱密度分布更接近活跃恒星形成区（如猎户座A）而非静止的加州星云，表明其含有较高比例的高柱密度物质。
• NIR消光数据与13 CO发射数据具有良好的相关性，且可延伸至比CO更高的柱密度区域，因为CO在N(H₂) ≳ 5–10×10²¹ cm⁻²时会变得光学厚。
• 8 μm和亚毫米波尘埃发射示踪剂仅能反映云团中最致密的部分，而NIR消光揭示了延伸至更低柱密度区域的更广泛质量储藏。
• 基于NIR源计数与Besançon模型推导的距离估计精度达约15%，证实该方法在距离达约8 kpc范围内的可行性。