[论文解读] ATLASGAL-selected massive clumps in the inner Galaxy: VI. Kinetic temperature and spatial density measured with formaldehyde

Xindi Tang, C. Henkel+12 more|Repository of the Academy's Library (Library of the Hungarian Academy of Sciences)|Nov 27, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 106被引用 8

一句话总结

本研究利用阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）望远镜对银河系内侧的100个大质量ATLASGAL选源星团中的甲醛（H₂CO）发射线进行观测，以推导其气体的动能温度和空间密度。研究发现，这些星团的动能温度较高（43–>300 K，平均91 ± 4 K），密度适中（0.6–8.3 × 10⁶ cm⁻³，平均1.5 × 10⁶ cm⁻³），且H₂CO所追踪的气体温度高于NH₃或尘埃所显示的温度，揭示了H₂CO线光度与总辐射光度之间在四个数量级范围内的强相关性，表明H₂CO是大质量恒星形成过程中温稠密气体质量的可靠示踪剂。

ABSTRACT

We aim to directly determine the kinetic temperature and spatial density with formaldehyde for the $\sim$100 brightest ATLASGAL-selected clumps at 870 $μ$m representing various evolutionary stages of high-mass star formation. Ten transitions ($J$ = 3-2 and 4-3) of ortho- and para-H$_2$CO near 211, 218, 225, and 291 GHz were observed with the APEX 12 m telescope. Using non-LTE models with RADEX, we derive the gas kinetic temperature and spatial density using the measured p-H$_2$CO 3$_{21}$-2$_{20}$/3$_{03}$-2$_{02}$, 4$_{22}$-3$_{21}$/4$_{04}$-3$_{03}$, and 4$_{04}$-3$_{03}$/3$_{03}$-2$_{02}$ ratios. The gas kinetic temperatures derived from the p-H$_2$CO 3$_{21}$-2$_{20}$/3$_{03}$-2$_{02}$ and 4$_{22}$-3$_{21}$/4$_{04}$-3$_{03}$ line ratios are high, ranging from 43 to $>$300 K with an unweighted average of 91 $\pm$ 4 K. Deduced $T_{ m kin}$ values from the $J$ = 3-2 and 4-3 transitions are similar. Spatial densities of the gas derived from the p-H$_2$CO 4$_{04}$-3$_{03}$/3$_{03}$-2$_{02}$ line ratios yield 0.6-8.3 $ imes$ 10$^6$ cm$^{-3}$ with an unweighted average of 1.5 ($\pm$0.1) $ imes$ 10$^6$ cm$^{-3}$. A comparison of kinetic temperatures derived from p-H$_2$CO, NH$_3$, and the dust emission indicates that p-H$_2$CO traces a distinctly higher temperature than the NH$_3$ (2,2)/(1,1) transitions and the dust, tracing heated gas more directly associated with the star formation process. The H$_2$CO linewidths are found to be correlated with bolometric luminosity and increase with the evolutionary stage of the clumps, which suggests that higher luminosities tend to be associated with a more turbulent molecular medium. It seems that the spatial densities measured with H$_2$CO do not vary significantly with the evolutionary stage of the clumps. However, averaged gas kinetic temperatures derived from H$_2$CO increase with time through the evolution of the clumps.

研究动机与目标

• 利用甲醛（H₂CO）线线度比直接测量大质量、大质量恒星形成星团中的动能温度与空间密度。
• 评估H₂CO在大质量恒星形成过程中作为致密气体物理条件示踪剂的可靠性。
• 研究温度、密度及线光度如何随大质量星团的演化阶段而变化。
• 将H₂CO推导的参数与NH₃及尘埃发射结果进行比较，以理解星团的热结构。
• 建立H₂CO线光度与总辐射光度之间的关系，作为温稠密气体质量诊断的依据。

提出的方法

• 利用阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（APEX）12米望远镜，在211–291 GHz频段观测了正交与对位H₂CO的十个跃迁（J = 3–2 和 4–3）.
• 采用非局部热动平衡（non-LTE）辐射转移模型（RADEX）从观测到的线通量比中推导出动能温度与空间密度。
• 通过正位H₂CO的3₂₁–2₂₀ / 3₀₃–2₀₂ 和 4₂₂–3₂₁ / 4₀₄–3₀₃ 线比计算温度；通过4₀₄–3₀₃ / 3₀₃–2₀₂ 线比计算密度。
• 将推导出的温度与NH₃ (2,2)/(1,1) 跃迁及尘埃谱谱分布（SED）拟合结果进行比较。
• 分析H₂CO线光度、总辐射光度与星团演化阶段之间的相关性。
• 采用未加权平均法报告TOP100样本中各物理参数的中位数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在银河系内侧，不同演化阶段的大质量星团中，致密气体的动能温度与空间密度分别是多少？
• RQ2 H₂CO推导出的温度与同一星团中NH₃和尘埃发射测得的温度相比如何？
• RQ3 在星团样本中，H₂CO线光度与总辐射光度之间是否存在相关性？
• RQ4 动能温度与空间密度如何随星团的演化阶段而变化？
• RQ5 H₂CO线光度能否可靠地追踪大质量恒星形成区中温稠密分子气体的质量？

主要发现

• 由正位H₂CO线比推导出的动能温度范围为43 K至>300 K，未加权平均值为91 ± 4 K。
• 由正位H₂CO 4₀₄–3₀₃ / 3₀₃–2₀₂ 线比推导出的空间密度范围为0.6–8.3 × 10⁶ cm⁻³，平均值为1.5 × 10⁶ cm⁻³。
• H₂CO所追踪的温度显著高于NH₃ (2,2)/(1,1) 跃迁和尘埃所显示的温度，表明其追踪的是被内部大质量恒星直接加热的气体。
• H₂CO线宽随总辐射光度与演化阶段的增加而增大，表明更演化、更明亮的星团中湍流增强。
• 当L_bol / M_clump ≥ 10 L☉/M☉时，气体动能温度与L_bol / M_clump比值之间存在近似相关性，表明温度随演化阶段变化。
• H₂CO线光度在四个数量级范围内与总辐射光度呈线性相关，支持其作为大质量恒星形成中温稠密气体质量可靠示踪剂的使用。