[论文解读] The Nuclear Bulge of the Galaxy. III. Large-Scale Physical Characteristics of Stars and Interstellar Matter

R. Launhardt, R. Zylka+1 more|ArXiv.org|Jan 17, 2002

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 64被引用 241

一句话总结

本研究利用IRAS和COBE DIRBE数据（波长2.2–240 μm）对银河系核球（NB）的大尺度恒星与星际物质结构进行建模，揭示出一个质量巨大、呈盘状的复杂结构，包含一个中心R⁻²星族簇、一个230±20 pc的核球恒星盘，以及一个共延伸的核分子盘。其主要贡献在于首次获得与动力学数据完全一致的光度质量分布，显示在30 pc以外区域密度分布更平坦，且星际介质（ISM）高度不连续，尽管密度极高，仍能实现强烈的辐射穿透。

ABSTRACT

We analyse IRAS and COBE DIRBE data at wavelengths between 2.2 and 240 mu of the central 500pc of the Galaxy and derive the large-scale distribution of stars and interstellar matter in the Nuclear Bulge. Models of the Galactic Disk and Bulge are developed in order to correctly decompose the total surface brightness maps and to apply proper extinction corrections. The Nuclear Bulge appears as a distinct, massive disk-like complex of stars and molecular clouds which is, on a large scale, symmetric with respect to the Galactic Centre. It is distinguished from the Galactic Bulge by its flat disk-like morphology, very high density of stars and molecular gas, and ongoing star formation. The Nuclear Bulge consists of an R^-2 Nuclear Stellar Cluster at the centre, a large Nuclear Stellar Disk with radius 230+-20 pc and scale height 45+-5 pc, and a Nuclear Molecular Disk of same size. Its total stellar mass and luminosity are 1.4+-0.6 10^9 M_sun and 2.5+-1 10^9 L_sun, respectively. The total mass of interstellar hydrogen in the Nuclear Bulge is 2+-0.3 10^7 M_sun. Interstellar matter in the Nuclear Bulge is very clumpy with ~90% of the mass contained in dense and massive molecular clouds with a volume filling factor of only a few per cent. This extreme clumpiness enables the strong interstellar radiation field to penetrate the entire Nuclear Bulge and explains the relatively low average extinction towards the Galactic Centre. In addition, we find 4 10^7 M_sun of cold and dense material located outside the Nuclear Bulge, which gives rise to the observed asymmetry in the distribution of interstellar matter in the Central Molecular Zone.

研究动机与目标

• 利用多波段红外数据，分离银河系盘（GD）与核球在内500 pc区域的表面亮度贡献。
• 建立星际物质与尘埃的三维分布模型，以校正消光效应，分离出核球中真实的恒星与ISM辐射。
• 推导出中心500 pc区域的光度质量分布，使其与现有动力学质量测量结果一致。
• 表征核球中星际介质的形态、质量分布及不连续性，特别是中心分子区（CMZ）的特征。
• 通过分析致密分子云的空间分布与填充因子，解释尽管气体与尘埃密度极高，但银河系中心平均消光却低于预期的原因。

提出的方法

• 将银河系盘（GD）建模为具有旋臂的轴对称盘，包含H I、H₂和H II组分，其径向与垂直密度分布基于观测数据。
• 采用基于三维网格的模型（100 pc³单元），模拟尘埃发射与消光，校准至COBE/DIRBE 240 μm数据及FIR色温。
• 对H₂采用sech²垂直密度分布，对H I采用双高斯垂直密度分布，其标高参数根据Wouterloot等（1990）的测量值进行调整。
• 引入四旋臂对数螺旋图案，采用高斯密度对比，基于Heyer与Terebey（1998）的模型，以重现FIR发射的变异性。
• 利用Sodroski等（1994）和Afflerbach等（1997）的数据校准尘埃温度与金属丰度（Z/Z⊙ = 2），并调整以匹配观测到的FIR发射。
• 利用三维ISM模型分离近端与远端发射对近红外（NIR）表面亮度的贡献，从而实现对核球区域准确的消光校正。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系核球中恒星与星际物质的大尺度空间分布如何？
• RQ2 核球的光度质量分布与动力学质量分布相比有何异同？
• RQ3 尽管气体与尘埃密度极高，为何银河系中心的平均消光却低于预期？
• RQ4 核球中星际介质（特别是中心分子区）的形态与质量分布如何？
• RQ5 星际介质的不连续性如何影响辐射场的穿透能力与观测到的发射特征？

主要发现

• 核球总恒星质量为1.4 ± 0.6 × 10⁹ M⊙，总光度为2.5 ± 1 × 10⁹ L⊙，其中70%的光度源自中心R⁻²星族簇中的年轻大质量主序星。
• 核球恒星盘延伸至230 ± 20 pc，标高为45 ± 5 pc，其更平坦的密度分布主导了30 pc以外区域的质量分布，与大半径处的简单R⁻²律相矛盾。
• 核球中总星际氢质量为2.0 ± 0.3 × 10⁷ M⊙，其中80%位于一个冷、质量巨大的外环盘，20%位于一个温暖的内盘（R ≈ 110 ± 20 pc）。
• 星际物质高度不连续，90%的质量集中于致密、大质量分子云中，体积填充因子仅几个百分点，从而实现强烈的辐射场穿透。
• 在正经度方向发现额外3 × 10⁷ M⊙的冷、致密物质，负经度方向发现1 × 10⁷ M⊙，解释了中心分子区ISM分布的不对称性。
• 本研究推导出的光度质量分布是首个与银河系中心500 pc内动力学质量分布完全一致的成果。