[论文解读] Simultaneous 22 GHz Water and 44 GHz Methanol Masers Survey of Ultracompact HII Regions

Kim, Won-Ju, Kim, Kee-Tae+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 18

一句话总结

本研究对103个超紧凑HII区（UCHiis）进行了22 GHz H₂O和44 GHz I类CH₃OH脉泽的多epoch同步观测，分别在72%和53%的源中检测到脉泽信号。高检测率以及脉泽光度与总辐射光度、射电及亚毫米光度之间的强相关性表明，两种脉泽类型均与UCHii相共存，其中H₂O脉泽表现出快速变异性及高vese度成分，而CH₃OH脉泽在时间上保持稳定。

ABSTRACT

We have carried out a multi-epoch simultaneous survey of 22 GHz H$_2$O and 44 GHz Class I CH$_3$OH masers toward 103 ultracompact HII regions (UCHIIs) between 2010 and 2017. We detected H$_2$O and CH$_3$OH maser emission in 74 (72%) and 55 (53%) UCHIIs, respectively. Among them, 3 H$_2$O and 27 CH$_3$OH maser sources are new detections. These high detection rates suggest that the occurrence periods of both maser species are significantly overlapped with the UCHII phase of massive star formation. The CH$_3$OH maser lines always have small (< 10 km s$^{-1}$) relative velocities with respect to the natal molecular cores, while H$_2$O maser lines often show larger relative velocities. Twenty four H$_2$O maser-detected sources have maser lines at relative velocities > 30 km s$^{-1}$, and thirteen of them show extremely high-velocity (> 50 km s$^{-1}$) components. The appearance and disappearance of H$_2$O maser lines are quite frequent over six-month or one-year time intervals. In contrast, CH$_3$OH maser lines usually do not exhibit significant variations in the line intensity, velocity, or shape for the same periods. The isotropic luminosities of both masers appear to correlate with the bolometric luminosities of the central stars. This correlation becomes much stronger in the case that data points in the low- and intermediate-mass regimes are added. The maser luminosities also tend to increase with the radio continuum luminosities of UCHIIs and the submillimeter continuum luminosities of the associated dense cores.

研究动机与目标

• 调查22 GHz H₂O和44 GHz I类CH₃OH脉泽在超紧凑HII区（UCHiis）中同时出现的特性及其时间行为。
• 确定脉泽活动与大质量恒星形成过程中UCHii相的重叠程度。
• 研究多epoch观测中脉泽线强度、速度及轮廓形状的时间变异性。
• 探讨脉泽光度与中心恒星及相应致密核物理性质之间的相关性。
• 建立针对UCHiis的高灵敏度44 GHz CH₃OH脉泽星表，改进以往单镜面巡天的结果。

提出的方法

• 2010至2017年间，利用灵敏单镜面射电望远镜对22 GHz（H₂O脉泽）和44 GHz（I类CH₃OH脉泽）进行多epoch射电连续谱与谱线观测。
• 基于已知的射电与红外性质，选取103个UCHiis，聚焦于含有大质量原恒星或早型B型恒星的高密度恒星形成区。
• 通过分子线观测确定系统速度，以计算脉泽特征相对于孕育分子核的径向速度。
• 利用流量密度和动力学距离估算的距离，计算H₂O和CH₃OH脉泽的各向同性光度。
• 将脉泽光度与中心恒星的总辐射光度、射电连续谱光度（2 cm和6 cm）以及致密核的亚毫米（850 µm）连续谱光度进行相关性分析。
• 通过比较多个观测epoch的脉泽线轮廓，分析时间变异性，识别瞬态或稳定特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 22 GHz H₂O和44 GHz I类CH₃OH脉泽在超紧凑HII区中的检测率是多少？与以往巡天相比有何差异？
• RQ2 H₂O和CH₃OH脉泽活动在多大程度上与大质量恒星形成过程中UCHii相的时间重叠？
• RQ3 H₂O和CH₃OH脉泽相对于孕育分子核的径向速度有何差异？
• RQ4 在6个月至1年的时标内，H₂O和CH₃OH脉泽线强度、速度及轮廓形状的时间变异性如何？
• RQ5 H₂O和CH₃OH脉泽的各向同性光度与中心恒星总辐射光度以及相关致密核的光度之间存在何种相关性？

主要发现

• 在103个UCHiis中，74个（72%）检测到H₂O脉泽，55个（53%）检测到CH₃OH脉泽，表明两者与UCHii相存在强烈关联。
• 在检测到的源中，3个H₂O脉泽和27个CH₃OH脉泽源为新发现，扩展了已知脉泽发射UCHiis的样本。
• H₂O脉泽线常表现出高速成分，24个源的相对速度超过30 km s⁻¹，13个源超过50 km s⁻¹，暗示存在动力学喷流。
• H₂O脉泽辐射表现出快速变异性，线型在六至十二个月的时间间隔内出现或消失。
• 相比之下，CH₃OH脉泽线在相同时间尺度内强度、速度或轮廓形状的变化极小，表明泵浦条件稳定。
• 两种脉泽类型的各向同性光度与中心恒星的总辐射光度强相关，尤其在包含低质量和中等质量源时；与UCHiis及其致密核的射电和亚毫米连续谱光度的相关性也显著。