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HH天體就是出現在恆星形成區的一種半星半雲狀的光學可見的天體。

1介紹

最明亮的一個赫比格-哈羅天體-HH32

  最明亮的一個赫比格-哈羅天體-HH32

HH天體(赫比格-哈羅天體或Herbig-Haro object)就是出現在恆星形成區的一種半星半雲狀的發光可見的天體,它是宇宙中由新生恆星所形成、狀似星雲的天體。新誕生的恆星以秒速將近數百公里的高速不斷噴出氣體,這些氣體會與恆星周圍的氣體雲和灰塵雲激烈碰撞、產生光芒。「半星半雲」是因為很多HH天體在拍攝底片上呈現出像恆星的外觀,但是它的星像半寬又比真正的恆星至少要大一倍,而且常常伴有雲霧狀的結構環繞在周圍或一側,使它們顯得有些若隱若現。HH天體普遍存在於恆星生成區,在單一新生恆星的極軸附近常可見到排成一列的多個HH天體。

2天文現象

HH天體是相當短暫的天文現象,不會持續超過數千年。在氣體持續發散至星際物質中時,HH天體也就漸漸模糊不可見。哈伯太空望遠鏡觀察了數個複雜的HH天體,其中有些正在消逝,另外一些因為與星際物質的碰撞漸趨激烈而越來越明亮。

3發現與觀察史

赫比格-哈羅天體HH47

  赫比格-哈羅天體HH47

一個赫比格-哈羅天體在19世紀由Burnham所觀測。他在利克天文台使用36吋折射望遠鏡觀察金牛T星時,發現附近有一處類似星雲的斑點;然而這個發現被紀錄為新的發射星雲(Burnham星雲),而不是新型態的天體。
金牛座T是一顆非常年輕的變星,也是一顆金牛座T型星的原型星,內部尚未達到流體靜力與重力崩塌作用力間的平衡,並由星球中心以核聚變產生能量。
1940年代,Haro跟Herbig開始各自獨立進行相關的研究。Herbig也觀測Burnham星雲,並發現其電磁波譜相當不尋常,在氫、硫與氧的波段有顯著的暗線。Haro則發現類似的天體在紅外線波段皆不可見。
接著兩人在土桑的天文學家會議上相會,起先Herbig僅略微提到他所觀察到的這些天體,但在聽聞Haro的發現后,他才提出更多詳細的研究成果。當時的蘇聯天文學者Viktor Hambardzumyan提案以兩位研究者為這類型天體命名;由於這些天體是在年輕的金牛座T型星附近發現的,他因此認為這些天體是金牛座T型星演化的早期型態。
研究顯示,HH天體皆高度電離化;早期理論家推測HH天體內部可能有低光度的熱恆星。然而,HH天體的光譜缺乏紅外光線頻段,表示其內部沒有星體(恆星會散發大量紅外線)。稍晚的研究則認為星雲內部有原恆星;但最新的研究顯示,HH天體是被年輕恆星所噴射出的物質,與周遭的星際物質以超音速碰撞所造成的現象;其衝擊波產生了可見光以及輻射。
1980年代早期,更多觀測成果揭示了HH天體的本質。HH天體是新生恆星的高密度物質噴流;新生恆星誕生的前數十萬年間,通常被一片氣體物質所形成的吸積盤環繞著;吸積盤內側的物質,因高速轉動的能量而電離化,產生的等離子於吸積盤的垂直面射出,稱為極噴射;當這些電離化的物質與星際空間的氣體以高速碰撞、產生衝擊波以及明亮的輻射時,就成為我們所觀測到的赫比格-哈羅天體。

4科學意義

HH天體產生於恆星形成的早期,即年輕星的雙極噴流階段,同時大多數HH天體出現的時標很短,因此HH天體就成為正在經歷的恆星形成活動的一個直接、準確的示蹤物。研究HH天體的形態、結構、譜線、運動學及至大尺度分佈對於揭示從單星的形成,噴流機制,到小區域的恆星形成特點,乃至大尺度的恆星形成規律都具有重要的意義。

5形態特點

HH天體則呈現出多姿多彩的形態特點:有的像樹的紐節一樣;有的呈弓形;有的呈短棒狀;有的像彗星一樣有明亮的頭部和瀰漫的尾巴;還有的就像一小團彌散的星雲。雖然HH天體本身的尺度大小不一,但由它們組成的HH天體噴流尺度可達幾個秒差距(pc)(Bally&Devine1997)。

6光譜特點

HH天體的光譜(Reipurth 1989)

  HH天體的光譜(Reipurth 1989)

HH天體的一個突出特點是它具有一些特殊的低激發能態的光譜,常見的有[SII]、[OI]、[NII]以及Hα線,而缺乏光學波段的連續譜(實際上有些HH天體在藍端有很弱的連續譜,這是雙光子過程紫外輻射的延伸)。這說明它不同於發出連續光譜的恆星,而顯現出帶有發射線的氣體星雲的特點。
研究表明,HH天體的光譜主要有兩類,一類是中性原子產生的允許線和禁線,如[OI],OI,[CI],[NI]等,另一類是由低激發能的離子發出的允許線和禁線,如[CaII],CaII,[FeII],MgII,[SII]等,它們的強度要比普通氣體星雲中光致電離造成的譜線強得多(Rripurth1991)。
HH天體除了光學輻射外,還普遍具有近紅外輻射(主要是2.12μm氫分子的轉動-振動躍遷譜線)。此外在許多HH天體中還觀測到了強的紫外和射電輻射。紫外輻射涉及到中性氫原子的雙光子過程和氫分子在Lyman波段的熒光輻射(Schwartz1983),射電輻射則來源於電子自由-自由躍遷產生的連續譜。

7物理本質

典型而完整的HH天體是由許多knot密集排列或成直線排開組成的噴流結構,這種噴流結構實際上反映出了HH天體的本質:它是一種來源於年輕星的噴出物,確切地講,是年輕星體噴出的
ρ Oph暗雲區新發現的HH天體

  ρ Oph暗雲區新發現的HH天體

高速氣體沖入星周氣體時被激發的氣體團塊。當高速星風從年輕星體的兩極方向吹入星周氣體時會形成激波,在激波過後逐漸冷卻下來的區域里,在合適的溫度(Te~7000K)、密度(ne~n×103-n×104cm-3)條件下,一些氣體團塊會激發出某些特殊的譜線,光學波段主要是一些碰撞激發線,從而形成光學可見、帶有特定激發線的HH天體。目前,被廣泛接受的HH天體定義是:與恆星形成區緊密成協的小規模激波激發區,通常有某些特定的光譜以區別於光致電離區(Reipurth,1999)。

8數量與分佈

ρ Oph暗雲區新發現的HH天體

  ρ Oph暗雲區新發現的HH天體

目前所觀察到個別的HH天體或HH天體群數量已有400多個。HH天體普遍存在於恆星形成的電離氫區中,與包克球(一種包含年輕恆星的暗星雲)鄰近;這些暗星雲通常就是HH天體噴流的源頭。單一原恆星可以重複噴射許多次,因此往往可以觀察到數個HH天體沿著噴流母星的極軸分佈。
近幾年大量發現新的HH天體,但就比例來說,分佈在銀河系中的HH天體卻相當少。俱估計,銀河系中應該有150000個左右的HH天體存在,然而目前的科技無法對數量如此龐大的天體群進行搜尋與觀測。大多數的HH天體都在距離噴流源0.5秒差距的範圍內,只有非常少數在1秒差距之外。然而,有一些HH天體與噴流源的距離遠達數個秒差距,這也許表示HH天體附近的星際物質密度並不高,使得噴流可以在消散之前,於真空之中移動一段很長的距離。

9動向與變化

天文光譜學
連續五年的影像顯示HH47的噴流物質正在移動

  連續五年的影像顯示HH47的噴流物質正在移動

的觀測結果估計,HH天體正以秒速100至1000公里的高速遠離噴流母星。近年來稱為哈柏太空望遠鏡的連續觀測,清楚拍下了HH天體自行運動的高解析影像。藉由視差法分析這些影像,可以得知這些HH天體與地球的距離。
隨著物質遠離噴流源,進入星際物質的HH天體,在外觀和型態方面會在數年之中慢慢改變;噴流中的某些團塊亮度可能會有所增減,或是完全消散;也可能會有新的團塊出現。噴流物質的速度差異也可能會造成HH天體外觀的改變。
噴流母星並非是持續穩定地噴射物質,而是以脈衝的方式,在同一個方向將氣體和灰塵一股股地釋放到宇宙中。每次噴流脈衝的速度可能有所不同,並使噴流物質彼此碰撞,在團塊的表面形成衝擊波。

10噴流源

赫比格-哈羅天體的噴射源都是非常年輕的恆星,其中有些還是形成中的原恆星。天文學家依紅外線輻射的等級,將這些恆星分為0,I,II與III四種等級;紅外線輻射越是強烈,表示星體周遭有越多溫度較低的物質,也就是說這個星體還在形成階段的初期。等級越高表示星體越成熟。
等級0的天體年齡只有數千年,非常年輕;這類天體的內部甚至還無法進行核融合反應,它們的能量來自於物質聚合時所釋放出的重力位能。等級I的天體,在核心內部開始有核融合反應,但由於被周遭的星雲所遮蓋,從外部無法看到它們發出的可見光,僅能從無線電波或紅外線頻段觀測。氣體與灰塵仍持續從周遭的星雲聚合到等級I的星體表面,直到星體演化到等級II的階段,此時大部分的物質都已經聚合,剩下的物質在恆星黃道面形成堆積盤。在最後的等級III階段,堆積盤的物質也各自聚合,形成環繞著原恆星的原行星。
研究顯示,大約有80%的HH天體是由雙星或是聚星(兩顆以上互繞的恆星系統)所產生的,遠比由低質量的主序星所產生的還多。這表示雙星系統中的恆星也許比較容易產生噴流,進而形成HH天體。有觀測證據顯示,規模最大的HH天體噴流可能來自於一個分裂的聚星系統。有人認為恆星應該大多是以聚星系統的型態集體生成的,在星際物質與彼此間重力的交互作用下,大多數原恆星的團塊會在演化為主序星之前被扯成碎片。

11紅外線觀測

獵戶座中一個雙極噴流的紅外線影像

  獵戶座中一個雙極噴流的紅外線影像

HH天體的噴流源頭-年輕恆星及大質量的原恆星,往往被濃厚的星際氣體雲所遮蓋;這些氣體甚至會發出比原恆星還明亮的光,將原恆星的微弱光芒徹底遮掩,因此以可見光波段是無法對這些噴流源進行觀測的;只有紅外線與無線電波能夠穿透層層阻礙,到達地球。這些輻射大多是由高溫的氫分子云所放射而出。
近幾年的天文觀測,已拍攝了大量HH天體的紅外線影像,大多數的影像都呈現出與船首行進波類似的彎曲弓形,稱為紅外線弓形衝擊波。這些紅外線弓形衝擊波的影像顯示噴流物質的前端正因與星際物質高速碰撞而釋出高溫,遠比能夠以可見光觀測的噴發還要來的劇烈。
紅外線弓形衝擊波的成因與可見光的HH天體本質上是一樣的,差別只在於與鄰近星際物質碰狀而產生的能量輻射型態。噴流物質與分子云碰撞會造成紅外線弓形衝擊波,而與離子的遊離態物質碰撞則產生可見光。

12BATC進行HH巡天

大尺度HH天體的巡天研究是當前的一大熱點,由於HH天體與恆星形成活動間的直接和緊密的示蹤關係,研究HH天體的大尺度分佈對於了解這一區域的大範圍恆星形成狀態具有非常重要
HH天體的CCD成像圖片

  HH天體的CCD成像圖片

的意義。巡天的方法主要是用包含HH天體某幾條特徵譜線波長範圍的窄帶濾光片拍攝的圖像與平移開一定波長避開特徵線的中帶連續譜圖像作比較,在窄帶發射線圖像上出現而連續譜圖像上不出現的即為HH天體。對相對高激發HH天體,窄帶濾光片常包含Hα/[NII](λ6548/6584)譜線,對於很高激發的HH天體,[OIII](λ5007)作為窄帶譜線,對多數HH天體和HH噴流來講,主要是低激發的,這時常用[SII](λ6717/6731)作為窄帶包含的譜線。
紫金山天文台恆星形成小組與國家天文台BATC巡天小組合作,利用興隆站60/90cm施密特望遠鏡的大視場優勢,於1998年開始了銀道面附近重要恆星形成區HH天體大尺度覆蓋性巡天工作。由於該望遠鏡視場可達58′×58′,而國際上同類項目的視場不足其1/4,加之相關快速處理軟體得到成功開發,該項目的工作效率居於國際領先水平。隨著這一項目的深入進行進而完成,將對銀道面附近恆星形成活動的研究具有重要的意義。
從1998年至今,利用興隆站60/90cm施密特望遠鏡對銀道面附近重要恆星形成區HH天體大尺度覆蓋性巡天工作已基本完成。其中一些工作已發表,其它的工作的初稿也已完成。下面將對這些工作進行簡單的介紹。

13蛇夫座ρOph暗雲區的天體巡天

暗雲區的分佈
(Laskeretal.1990)基礎之上的,其位置精度可以達到0.4角秒,與此導星表相當水
Orion天區新發現的HH候選體

  Orion天區新發現的HH候選體

平(Jiang1989)。
新發現的HH天體示於圖3,它們在ρOph暗雲區的分佈示於圖4,其背景的等值線圖是哥倫比亞大學CO巡天得到在此天區的CO分佈(deGeusetal.1990),顯示的是本區域內的年輕星(HerbigandBell1988)和Hα發射線星(Wilkingetal.1987)的分佈情況。
觀測範圍
獵戶(Orion)是最活躍的鄰近恆星形成區之一,這裡過去發生過恆
圖6 Orion天區的觀測範圍
Taurus天區新發現的HH候選體

  Taurus天區新發現的HH候選體

星形成,現在正經歷著恆星形成,未來也會有恆星形成。Orion包括兩個GMC,一個位於獵戶北部,另一個位於獵戶南部的獵戶大星雲後面。它們的質量都約是105M⊙。獵戶區的距離估計在400―500pc,一般用450pc。獵戶恆星形成區由幾部分組成:從年齡為12×106年的最老的OrionOB1星協,到年齡為1×106年的最年輕的子群―獵戶大星雲中的四邊形團(Trapeziumcluster),以及更年輕的原恆星(如獵戶星雲后OMC-1中BN-KL區域的大質量原恆星Irc2-I)。Orion是恆星形成觀測的目標區域,它位於銀河系的外圍區域和銀盤下方10°—14°的位置,在前景和背景都沒有其他恆星形成區的混淆。
OrionA巨分子云既是大質量恆星形成的區域,又是小質量恆星形成的有效區(Wouterloot&Brand1992)。13CO(Ballyetal.1987)的成圖顯示,OrionA的北部compressed,dynamicallyrelaxed,支持大質量恆星形成;OrionA的南部diffuse,exhibitschaoticspatialandvelocitystructure,支持中小質量恆星形成。這樣的結構可能是由於OriOB1星協的形成和演化所致。
自從哥倫比亞大學1.2m望遠鏡的12CO成圖發現OrionA和OrionB
H搜尋
對銀河系附近的恆星形成區繼續進行HH天體的搜尋。銀河系
表四:銀河系附近的恆星形成區
附近的恆星形成區主要有以下這些:
我們已完成了對其中一些恆星形成區的HH天體巡天(Oph、Orion、Taurus和NGC2264),下面需要對其它的恆星形成區進行HH天體巡天,以更好的了解銀道面附近的恆星形成活動,可用足夠的樣本進行統計分析。

資料

我們可以利用通過巡天得到的HH天體資料,在結合其它的資料(比如2MASS的資料,分子外向流的資料,Hα發射星的資料等等),來分析HH天體和原恆星之間的關係。這些關係包括HH天體在統計上一般出現在距離原恆星多遠的距離尺度上;單位元中HH天體的個數和原恆星的個數之間是否存在一定的統計關係,存在的話,那是什麼樣的關係(即HH誕生率的問題)。這些關係的得到可以讓我們對恆星形成活動有更深刻的了解。上面提到的統計分析,在Taurus天區的巡天結果中已經進行了,並且得到一些結果。隨著巡天工作的深入進行,我們可以不僅可以得到各個不同天區的統計結果,還可以得到整個銀河系附近恆星形成區總的統計結果。到那時候一定可以推進恆星形成的研究工作。

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