恒星形成中的磁场与外向流研究

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恒星形成活动在星系的形成与演化过程中起到重要作用。目前我们对于恒星形成的一些细节问题远非完全理解。特别地,虽然最近取得了一些重要的进展,但是磁场在恒星形成过程(尤其是早期阶段)中起到的作用仍处于争论之中。另外,目前大质量外向流的驱动机制也并不确定。在本论文中,我们使用高灵敏度毫米/亚毫米偏振观测数据来对处于早期演化阶段的小质量恒星形成区和大质量恒星形成区中的磁场进行了个例研究。我们还根据三维数值模拟的结果对常用于估计磁场强度的戴维斯-钱德拉塞卡-费米(Davis-Chandrasekhar-Fermi;DCF)方法进行了检验。我们也使用CO多条谱线的观测数据研究了一个大质量外向流的驱动机制。为了研究磁场在小质量恒星形成最早期阶段的作用,我们考察了JCMT的POL-2偏振计对Ophiuchus分子云里的一个小质量(~12 M⊙)分子云核Oph-C的偏振观测结果。该观测是JCMT的BISTRO巡天项目的一部分,分辨率为~14角秒(约0.1 pc)。我们在该云核中探测到了有序的东北-西南方向的磁场,该磁场方向与红外观测探测到的分子云中低密度区域磁场方向以及普朗克(Planck)卫星探测到的分子云尺度磁场方向一致。我们发现该云核中的偏振度P和辐射强度I满足幂律关系,幂律斜率指数为-1.03±0.05。我们使用了三种不同的改良戴维斯-钱德拉塞卡-费米(Davis-Chandrasekhar-Fermi,简称DCF)方法来计算Oph-C中的天空平面磁场强度(Bpos)。这三种改良DCF方法分别为结构函数(structure function,简称SF)方法,自相关函数(auto-correlation function,简称ACF)方法,非锐化滤镜(unsharp masking,简称UM)方法。SF、ACF和UM方法分别算出的磁场强度为103±46μG、136±69μG和213±115μG。计算表明Oph-C处于磁临界(magnetically critical)或磁超临界(magnetically supercritical)状态。通过SF方法算出来的磁能与湍动能相当,而通过ACF和UM方法我们只得到了磁能的上限。为了研究磁场在大质量恒星形成早期阶段的作用,我们使用ALMA对红外暗云G28.34+0.06中的三个大质量分子团块(MM1、MM4和MM9)进行了1.3mm尘埃偏振观测。高分辨率(~0.02 pc)观测将MM1中包含的凝聚体结构分辨了出来。我们在MM1和MM4中探测到了消偏振效应,并发现MM4中的P-I幂律斜率指数比MM1中的小。用角度弥散函数分析方法算得的两个大质量分子云核MM1-Core1和MM4-Core4的天空平面磁场强度分别为~1.6 m G and~0.32 m G。计算得到的MM1-Core1和MM4-Core4中的总维里参数分别是0.76和0.37,这说明大质量分子云核在演化早期处于非平衡状态,并与大质量恒星形成的竞争吸积模型的预言相吻合。我们使用偏振-辐射强度梯度-引力(polarization-intensity gradient-local gravity)方法对三个分子团块进行了分析。我们发现三个团块中的引力方向和辐射强度梯度方向都比较吻合,而在MM1和MM4中,磁场和引力的方向在非辐射峰值的区域倾向于相互平行,这说明在引力在气体坍缩过程中起到了非常重要的作用。同时我们发现MM4和MM9中有一半的外向流和凝聚体尺度磁场的方向角之差小于10度,这说明在早期演化阶段,磁场在凝聚体到原恒星盘尺度的大质量恒星形成过程中起到了重要的作用。我们还发现MM1-Core1中的碎裂过程既不满足热金斯碎裂也不满足湍动金斯碎裂,这说明MM1-Core1中的物理参数可能已经偏离了碎裂发生时的初始参数。准确地对磁场强度进行估计对决定恒星形成区的运动学状态具有重要意义。人们通常使用DCF方法来根据尘埃偏振角的角度弥散估计磁场强度的大小,但是DCF方法在高密度大质量恒星形成区的准确性仍然存疑。我们将原初DCF方法和一些改良DCF方法应用到成团大质量恒星形成的三维磁流体力学模拟和辐射转移模拟的结果上来对DCF方法在不同物理环境中的准确性进行检验。我们发现由于湍动磁场能小于湍动运动能,在弱磁场情况下,DCF方法会极大地高估磁场强度。我们对角度弥散函数方法进行了检验,发现该方法能很好地修正角度弥散测量过程中的大尺度磁场结构贡献、望远镜波束平滑效应、干涉阵大尺度滤波效应,但是并不能很好地修正视线方向偏振信号积分效应。根据我们的结果,我们认为DCF方法应避免用于0.1pc以下的尺度。为了探索大质量恒星形成区G240.31+0.07中的大质量秒差距尺度双极高速外向流的驱动机制,我们使用APEX对该外向流的CO J=3–2、6–5以及7–6等谱线进行了观测。再加上之前的CO 2-1观测数据,我们对外向流进行了多谱线分析以研究其物理性质。我们发现CO两两谱线的比值在~5–25 km s-~1的速度范围内是大致不变的。我们应用转动图方法和大速度梯度计算对四条谱线进行了分析。我们发现该外向流是等温的,温度为~50 K。我们还发现该外向流的CO柱密度随着外向流速度增大而减小。如果CO丰度和外向流速度梯度保持不变,那么CO柱密度的减小说明气体的密度在减小。我们的计算结果与大张角风驱动模型的预言相吻合。
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