2.16米望遠鏡助力天文學家揭示氧丰度指針在恆星形成區內部的變化

近日，廣州大學毛業偉博士、中國科學院上海天文台林琳博士和中國科學技術大學孔旭教授等，利用中國科學院國家天文台興隆觀測站2.16米望遠鏡觀測，發現星系NGC 2403內部恆星形成區的氧元素丰度具有明顯的徑向變化。通過比較分析不同氧元素丰度指針，發現恆星形成區氧元素丰度的徑向變化，主要是由於電離態徑向梯度引起的。基於這項工作的研究論文已於近日在國際著名的天文學期刊《天體物理學雜誌》（The Astrophysical Journal）上發表。此次2.16米望遠鏡對NGC 2403的觀測，是中國科學技術大學孔旭教授主導的2.16米望遠鏡重點課題《近鄰星系恆星形成區光譜觀測研究》計劃的一部分。

目前，對星系內部恆星形成區二維光譜研究較少，氧元素丰度徑向變化僅在星系M33的兩個恆星形成區（NGC 595 和 NGC 588）中通過積分場光譜儀的觀測被發現。這次在同一個星系中超過10個恆星形成區中發現的徑向梯度特徵，表明元素丰度計算對電離態的敏感，是一個普遍且不容忽視的現象，元素丰度指針背後的物理內涵遠比人們此前想像的複雜。

這項工作的創新之處在於對長縫光譜數據的空間分解抽取，即在數據處理時，對於每一個恆星形成區，抽取其內部不同半徑處的光譜，從而得到一組由內到外的徑向光譜。目前，對河外星系中恆星形成區的光譜研究基本都是對恆星形成區進行整體測量，把一個恆星形成區綜合成為一個點，然而這樣就失去了發現恆星形成區內部隨空間位置變化現象的機會。毛業偉說：「其實我們觀測的最初目的也是對恆星形成區進行整體測量，但是在數據處理時我們發現觀測到的 NGC 2403 中的恆星形成區都非常的大而亮，可以嘗試抽取其內部的光譜進行空間分解研究。對單個恆星形成區不同半徑處光譜的抽取，實際上是對不同電離態進行自然採樣 —— 因為電離態從恆星形成區中心到邊緣逐漸降低-這種採樣不需要藉助其它觀測特徵，因此最為準確。可是對於長縫光譜儀的觀測數據來說沒有對目標源進行空間分解抽譜的先例，我們只能自己探索技術路線。」經過不斷地嘗試、分析、檢查、論證，研究人員最終解決了數據處理過程中遇到的各種問題，收穫了可靠而有趣的結果。

國際著名天文學家，劍橋大學教授Robert C. Kennicutt,Jr.（曾任劍橋大學物理學院院長、劍橋大學天文研究所主任、《天體物理學雜誌》主編）對這項工作給予了很高的評價：「這項工作所觀測到的經驗丰度的徑向梯度可以說是全新的發現。目前還沒有很多研究論文涉及強線丰度指針在恆星形成區內部的變化，而這篇論文的作者所展示的徑向變化確實揭露了經驗丰度的系統偏差與強線指針的電離敏感性相關。儘管電離參數的影響是否可以完全解釋普遍存在的極光線丰度和星雲模型丰度之間差異仍然有待證明，但是這項工作所發現的發射線流量比的變化本身就非常有意義。」

恆星形成和光致電離領域專家，西班牙格蘭納達大學副教授Monica Relano-Pastor（曾利用積分場光譜儀的觀測在 M33 中的兩個恆星形成區中發現強線指針的變化趨勢）也給出了如下評論：「這是一項非常出色的工作，它揭示了被認為可以準確測量星際氣體氧丰度並被廣泛使用的一些發射線流量比所存在的局限性。這項工作展示的發射線流量比在恆星形成區內部的變化作為一個很好的科學案例，補充並延續了此前的對單個恆星形成區全覆蓋的積分場光譜研究。」

該項目得到國家自然科學基金、科技部、中國科學院和廣州大學的支持。

https://doi.org/10.3847/1538-4357/aaa29e

https://arxiv.org/abs/1801.07406

左圖：光譜觀測時的狹縫位置和轉向示意圖。背景圖片是扣除連續譜的 Halpha 窄波段圖像（由美國 Kitt Peak 國家天文台的 2.1 米望遠鏡觀測得到）；藍色圓圈圈出了這項工作中研究的恆星形成區，圖中的數字是它們在 Sivan et al. (1990, A&A, 237, 23) 中的編號；紅色實線表示狹縫；圖片右下角的箭頭表示長度標尺，圖片方向為上北左東。

右上圖：抽譜時採用的抽譜孔徑的大小和位置，以044號恆星形成區為例；背景圖片截取自左圖；044號恆星形成區在不同的狹縫轉向的情況下觀測了兩次，得到兩組數據，這裡展示的是其中一組數據的抽譜孔徑，以044a表示；綠色方框表示抽譜孔徑；圖片右下角的箭頭表示長度標尺，圖片方向為上北左東。

右下圖：由6種不同的經驗方法分別得到的氧元素丰度在恆星形成區中的徑向分布圖，以044a的數據為例；圖中的縱坐標是氧元素丰度，橫坐標表徵距恆星形成區中心的距離；圖中數據點的不同顏色和符號用以區分不同方法得到的結果；這些徑向輪廓表現出非常明顯的差異，特別是O3N2和N2的結果呈現出從中心向外上升的梯度，說明這兩種指針對電離參數最為敏感。

該成果所使用的中國科學院國家天文台興隆觀測站2.16米望遠鏡（左圖）和OMR低色散攝譜儀（右圖）。

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