[论文解读] Shocked Molecular Hydrogen and Broad CO lines from the Interacting Supernova Remnant HB 3

Jeonghee Rho, T. H. Jarrett+7 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 88被引用 6

一句话总结

本研究在近红外和中红外波段探测到混合形态超新星遗迹 HB 3（G132.7+1.3）中激波激发的分子氢（H2），并在毫米波段检测到展宽的 CO(3-2) 和 CO(2-1) 谱线，揭示了与致密分子云及 W3 H II 区复合体发生激波特相互作用的明确证据。研究基于帕洛马 WIRC、斯皮兹勒 GLIMPSE360、WISE 和 HHSMT 数据，发现 H2 辐射形成蝴蝶状的纤维状结构，位于 SNR 的南侧和东侧壳层，CO 谱线显示激波特速度为 20–40 km s−1，磁场强度超过 200 µG，证实了其与周围星际物质的动态相互作用。

ABSTRACT

We present the detections of shocked molecular hydrogen (H2) gas in near- and mid-infrared and broad CO in millimeter from the mixed-morphology supernova remnant (SNR) HB~3 (G132.7+1.3) using Palomar WIRC, the Spitzer GLIMPSE360 and WISE surveys, and HHSMT. Our near-infrared narrow-band filter H2 2.12 micron images of HB~3 show that both Spitzer IRAC and WISE 4.6 micron emission originates from shocked H2 gas. The morphology of H2 exhibits thin filamentary structures and a large scale of interaction sites between the HB~3 and nearby molecular clouds. Half of HB~3, the southern and eastern shell of the SNR, emits H2 in a shape of a "butterfly" or "W", indicating the interaction sites between the SNR and dense molecular clouds. Interestingly, the H2 emitting region in the southeast is also co-spatial to the interacting area between HB~3 and the H~II regions of the W3 complex, where we identified star-forming activity. We further explore the interaction between HB~3 and dense molecular clouds with detections of broad CO(3-2) and CO(2-1) molecular lines from the southern and southeastern shells along the H2 emitting region. The widths of the broad lines are 8-20 km/s; the detection of such broad lines is unambiguous, dynamic evidence of the interactions between the SNR and clouds. The CO broad lines are from two branches of the bright, southern H2 shell. We apply the Paris-Durham shock model to the CO line profiles, which infer the shock velocities of 20 - 40 km/s, relatively low densities of 10^{3-4} cm^{-3} and strong (>200 micro Gauss) magnetic fields.

研究动机与目标

• 研究混合形态超新星遗迹 HB 3 与周围分子云及 H II 区之间的相互作用。
• 识别并表征近红外和中红外波段中激波激发的分子氢（H2）辐射，作为激波特过程的示踪剂。
• 在毫米波段探测并分析展宽的分子 CO 谱线，作为动态激波特相互作用的明确证据。
• 利用巴黎-杜伦激波特模型约束激波特参数，包括速度、密度、磁场强度和视线方向。
• 理解超新星反馈在触发恒星形成和驱动分子云湍流中的作用。

提出的方法

• 利用帕洛马 WIRC 在 2.12 µm 波段进行近红外窄带成像，探测 H2 的转-振跃迁发射线。
• 分析斯皮兹勒 GLIMPSE360 和 WISE 巡天数据中 4.5 µm 和 4.6 µm 波段的 H2 辐射起源。
• 利用 HHSMT 望远镜进行毫米波谱线观测，以高 spectral 分辨率探测 CO(3-2) 和 CO(2-1) 发射线。
• 将巴黎-杜伦激波特模型应用于 CO 谱线轮廓，推断激波特速度、激波特前密度、磁场强度和视线方向。
• 通过 H2 和 CO 辐射与 W3 H II 区复合体及红外暗云的空间相关性，识别恒星形成活动。
• 利用 ROSAT X 射线数据和射电轮廓确认 HB 3 的混合形态分类，并界定其壳层结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 超新星遗迹 HB 3 中激波激发的 H2 辐射的空间分布与形态如何？
• RQ2 HB 3 中的毫米波 CO 谱线轮廓如何揭示与分子云相互作用的激波特波的存在与动力学特性？
• RQ3 相互作用区域中激波特加热气体的物理条件（激波特速度、密度、磁场强度、视线方向）是什么？
• RQ4 是否存在超新星遗迹反馈在 HB 3 附近触发恒星形成的证据？
• RQ5 HB 3 的激波特形态与动力学特性与 W28 或 IC 443 等其他混合形态 SNR 相比有何异同？

主要发现

• HB 3 中的 H2 辐射在南侧和东侧壳层形成明显的蝴蝶状或 W 形纤维状结构，表明其与致密分子云及 W3 H II 区复合体发生相互作用。
• 斯皮兹勒 IRAC 4.5 µm 和 WISE 4.6 µm 辐射被证实起源于激波 H2，而非热尘埃或电离气体。
• 在南侧和东南侧壳层检测到 FWHM 带宽为 8–20 km s−1 的展宽 CO(3-2) 和 CO(2-1) 谱线，为动态激波特相互作用提供了明确证据。
• 巴黎-杜伦激波特模型对 CO 谱线轮廓的拟合结果表明，激波特速度为 20–40 km s−1，激波特前密度为 6×10³–2×10⁴ cm⁻³，磁场强度 >200 µG，表明存在强磁场约束。
• 视线方向分析显示，东南侧的 H2 辐射位于 SNR 前方（θ ≈ 55°），而南侧壳层位于后方（θ ≈ 215°–230°），与激波特朝向和远离观测者运动的特征一致。
• 在 HB 3 与 W3 复合体的交界处识别出恒星形成区域（I 型和 II 型原恒星），表明 SNR 驱动的反馈可能触发或增强恒星形成。