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紫金山天文台证实在富碳星拱星包层中探测到硫化硅脉泽
2017年07月07日

  中国科学院紫金山天文台龚龑博士等通过国际合作研究证实在富碳星IRC+10216的拱星包层中探测到SiS(1-0)脉泽。该研究成果近日以“SiS in the circumstellar envelope of IRC +10216: maser and quasi-thermal emission”(IRC +10216拱星包层中的硫化硅:脉泽和准热辐射)为题发表在天体物理学杂志上(The Astrophysical Journal, Volume 843, Number 1)。

  中低质量恒星演化至其生命周期晚年的主序后星时,会通过星风抛出大量的气体和尘埃,形成一个致密的拱星包层。根据碳氧元素丰度比[C/O],可以将主序后星分为富碳星([C/O]>1)和富氧星([C/O]<1)。由于物理化学环境的不同,它们的拱星包层中会形成不同的脉泽(即微波波段的激光),脉泽是主序后星拱星包层物理条件的强有力探针。在富氧星的拱星包层中脉泽较为常见,如已在许多富氧星的拱星包层中发现羟基 (OH)、氧化硅(SiO)、水(H2O)等脉泽,然而在富碳星的拱星包层中却鲜有脉泽的探测。

  IRC+10216(狮子座CW星)是一颗极其著名的富碳星(见图一),它距离我们约420光年,在5微米波段是太阳系外最亮的天体,在其拱星包层中已经探测到的星际分子超过80种。龚龑博士等与其德国合作者们于2015年发表了利用德国Effelsberg 100米射电望远镜对该天体进行的1.3厘米波段迄今最为完备的谱线巡测结果(Gong et al. 2015, A&A 574, A56)。因此,IRC+10216是研究分子谱线的最重要目标之一,也是搜寻和研究富碳星拱星包层中脉泽的理想候选体。

  硫化硅(SiS)分子是富碳星拱星包层中丰度最高的含硅分子。30多年前,天文学家们在IRC+10216拱星包层的单天线SiS (1-0)转动谱线轮廓中发现一个非常窄的发射成分,推测可能是脉泽。然而,分析得到的谱线亮温度仅为几K,这与脉泽放大机制会产生非常高亮温度的理论预期不相符。当然,这可能是由于当时观测使用的望远镜角分辨率过低导致的,因为脉泽通常都是点源。龚龑博士等与德国马普射电天文所(MPIfR)和美国国立射电天文台(NRAO)以及加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)研究人员合作,利用澳大利亚望远镜致密阵列ATCA对其进行了高角分辨率的SiS (1-0)观测,谱线轮廓呈现典型的脉泽特征,谱线亮温度则高达至少3850 K (见图二),远高于拱星包层最内部的温度(约2000 K),甚至高于恒星的有效温度(约2800 K)。如此高的亮温度只能通过脉泽放大机制来解释,从而首次确凿证实了在该富碳星拱星包层中探测到SiS (1-0)脉泽。对该脉泽成分的单天线监测结果也呈现出脉泽所特有的时变特征。进一步的研究表明观测到的SiS脉泽是非饱和的,来自近乎完全加速的壳层,该脉泽的主要泵浦源很可能来自中心星及其邻近尘埃的红外辐射。在Effelsberg 100米望远镜对其他十几个富碳星拱星包层的搜寻观测中,均未发现任何与IRC+10216类似的SiS (1-0)脉泽特征谱线。因此,IRC+10216是迄今为止唯一一个探测到SiS (1-0)脉泽的富碳星。

  该项研究得到国家自然科学基金委和科学院中欧联合培养博士生计划的支持。

  论文信息:

  Gong et al. 2017: SiS in the circumstellar envelope of IRC +10216: maser and quasi-thermal emission. The Astrophysical Journal 843, 1, DOI: 10.3847/1538-4357/aa7853

  Gong et al. 2015: A 1.3 cm line survey toward IRC+10216. Astronomy & Astrophysics 574, A56, DOI: 10.1051/0004-6361/201424819 

图一:背景是富碳星IRC +10216的光学图像,取自Leao et al. (2006)。左上圆圈内是硫化硅分子的示意图,黄色为硫原子,紫色为硅原子。

图二:(a)澳大利亚望远镜致密阵(ATCA)观测到的SiS (1-0)脉泽分布。(b)脉泽峰值处的谱线轮廓。

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