2.16米望远镜助力天文学家揭示氧丰度指针在恒星形成区内部的变化

发稿时间:2018-03-07浏览次数:44



 近日,广州大学毛业伟博士、中国科学院上海天文台林琳博士和中国科学技术大学孔旭教授等,利用中国科学院国家天文台兴隆观测站2.16米望远镜观测,发现星系NGC  2403内部恒星形成区的氧元素丰度具有明显的径向变化。通过比较分析不同氧元素丰度指针,发现恒星形成区氧元素丰度的径向变化,主要是由于电离态径向梯度引起的。基于这项工作的研究论文已于近日在国际著名的天文学期刊《天体物理学杂志》(The  Astrophysical  Journal)上发表,并被国家天文台以“2.16米望远镜助力天文学家揭示氧丰度指针在恒星形成区内部的变化”为题专门撰文报道。此次2.16米望远镜对NGC  2403的观测,是毛业伟和林琳的博士生导师,中国科学技术大学孔旭教授主导的2.16米望远镜重点课题《近邻星系恒星形成区光谱观测研究》计划的一部分。   
 目前,对星系内部恒星形成区二维光谱研究较少,氧元素丰度径向变化仅在星系M33的两个恒星形成区(NGC  595 和 NGC  588)中通过积分场光谱仪的观测被发现。这次在同一个星系中超过10个恒星形成区中发现的径向梯度特征,表明元素丰度计算对电离态的敏感,是一个普遍且不容忽视的现象,元素丰度指针背后的物理内涵远比人们此前想象的复杂。 
这项工作的创新之处在于对长缝光谱数据的空间分解抽取,即在数据处理时,对于每一个恒星形成区,抽取其内部不同半径处的光谱,从而得到一组由内到外的径向光谱。目前,对河外星系中恒星形成区的光谱研究基本都是对恒星形成区进行整体测量,把一个恒星形成区综合成为一个点,然而这样就失去了发现恒星形成区内部随空间位置变化现象的机会。毛业伟说:“其实我们观测的最初目的也是对恒星形成区进行整体测量,但是在数据处理时我们发现观测到的 NGC  2403 中的恒星形成区都非常的大而亮,可以尝试抽取其内部的光谱进行空间分解研究。对单个恒星形成区不同半径处光谱的抽取,实际上是对不同电离态进行自然采样 —— 因为电离态从恒星形成区中心到边缘逐渐降低-这种采样不需要借助其它观测特征,因此最为准确。可是对于长缝光谱仪的观测数据来说没有对目标源进行空间分解抽谱的先例,我们只能自己探索技术路线。”经过不断地尝试、分析、检查、论证,研究人员最终解决了数据处理过程中遇到的各种问题,收获了可靠而有趣的结果。 
国际著名天文学家,剑桥大学教授Robert C.  Kennicutt,Jr.(曾任剑桥大学物理学院院长、剑桥大学天文研究所主任、《天体物理学杂志》主编)对这项工作给予了很高的评价:“这项工作所观测到的经验丰度的径向梯度可以说是全新的发现。目前还没有很多研究论文涉及强线丰度指针在恒星形成区内部的变化,而这篇论文的作者所展示的径向变化确实揭露了经验丰度的系统偏差与强线指针的电离敏感性相关。尽管电离参数的影响是否可以完全解释普遍存在的极光线丰度和星云模型丰度之间差异仍然有待证明,但是这项工作所发现的发射线流量比的变化本身就非常有意义。
恒星形成和光致电离领域专家,西班牙格兰纳达大学副教授Monica  Relano-Pastor(曾利用积分场光谱仪的观测在 M33 中的两个恒星形成区中发现强线指针的变化趋势)也给出了如下评论:“这是一项非常出色的工作,它揭示了被认为可以准确测量星际气体氧丰度并被广泛使用的一些发射线流量比所存在的局限性。这项工作展示的发射线流量比在恒星形成区内部的变化作为一个很好的科学案例,补充并延续了此前的对单个恒星形成区全覆盖的积分场光谱研究。
该项目得到国家自然科学基金、科技部、中国科学院的支持。  

左图:光谱观测时的狭缝位置和转向示意图。背景图片是扣除连续谱的 Halpha 窄波段图像(由美国 Kitt  Peak 国家天文台的2.1 米望远镜观测得到);蓝色圆圈圈出了这项工作中研究的恒星形成区,图中的数字是它们在 Sivan et al. (1990,  A&A, 237, 23) 中的编号;红色实线表示狭缝;图片右下角的箭头表示长度标尺,图片方向为上北左东。

右上图:抽谱时采用的抽谱孔径的大小和位置,以044号恒星形成区为例;背景图片截取自左图;044号恒星形成区在不同的狭缝转向的情况下观测了两次,得到两组数据,这里展示的是其中一组数据的抽谱孔径,以044a表示;绿色方框表示抽谱孔径;图片右下角的箭头表示长度标尺,图片方向为上北左东。

右下图:由6种不同的经验方法分别得到的氧元素丰度在恒星形成区中的径向分布图,以044a的数据为例;图中的纵坐标是氧元素丰度,横坐标表征距恒星形成区中心的距离;图中数据点的不同颜色和符号用以区分不同方法得到的结果;这些径向轮廓表现出非常明显的差异,特别是O3N2和N2的结果呈现出从中心向外上升的梯度,说明这两种指针对电离参数最为敏感。 

该成果所使用的中国科学院国家天文台兴隆观测站2.16米望远镜(左图)和OMR低色散摄谱仪(右图)。