大质量恒星形成区分子外向流的观测和理论研究

This project is to carry out a systemic observational study and theoretical exploration of molecular outflows in massive star-forming regions. We (with the lead applicant of this project as the PI) have completed high-angular-resolution imaging in CO (J=2-1) of 12 massive outflows, mapped their large-scale structures with single-dish telescopes, i.e., CSO, IRAM 30m, and JCMT, and thus built the largest sample of massive outflows with combined interferometer and single-dish observations. In addition, we completed CO multi-line observations of 5 outflows selected from the SMA sample. Based on these data, we will (1) analyze the morphological and kinematical properties of the "SMA + single-dish" sample, outline an evolutionary picture, study the systemic difference between massive and low-mass outflows, and explore whether massive stars can form in a way similar to low-mass star formation; (2) perform LVG calculations based on the multi-line observations, aimed at constraining the driving and acceleration mechanisms of massive outflows; (3) conduct theoretical explorations based on the above observational studies, and develope theoretical models of massive outflows. With this project, we expect to make significant progress in the studies of massive outflow and star formation.

本项目将对大质量恒星形成区的分子外向流开展系统的观测研究和理论探索。申请人作为PI完成了亚毫米波干涉阵SMA对12个大质量外向流的CO (J=2-1)谱线的高分辨率成像，并用CSO、IRAM 30m、JCMT单天线做大尺度结构成图，建立起国际上同时具有干涉阵和单天线观测的大质量外向流最大样本；另外，用APEX望远镜完成了样本中5个源的CO多谱线观测。基于这些观测资料，我们将（1）分析"SMA+单天线"样本中外向流的形态和运动学性质，构建演化图像，研究大质量和小质量外向流的系统差别，考察大质量和小质量恒星是否有相同的形成机制；（2）利用多条谱线观测和LVG计算，分析外向流的温度、密度结构，得到限制大质量外向流驱动和加速机制的观测基础；（3）在前两部分观测研究的基础上开展理论探索，提出大质量外向流的理论模型。通过本项目，我们期望在大质量外向流和恒星形成研究领域取得一系列有国际影响力的学术成果。

恒星形成是当代天体物理的一个核心问题，大质量恒星形成是其中的一个研究难点和热点。分子外向流是研究恒星形成，特别是最早期恒星形成的重要手段。本项目对大质量恒星形成区分子外向流开展了系统的研究。基于亚毫米波干涉阵SMA和单口径望远镜APEX, CSO、IRAM 30m、JCMT等的观测，项目主要完成了以下研究内容：（1）分析了外向流的形态和运动学特征，考察了大质量和小质量恒星形成区外向流的异同，着重研究了大质量外向流的演化图像；（2）利用多条谱线观测和大速度梯度辐射转移计算，分析了大质量外向流的温度、密度结构，得到了关于外向流驱动和加速机制的观测证据；（3）根据最新的观测和理论工作，对大质量外向流的理论模型做了一定的探索。我们主要得到了以下重要结果：（1）提出了大质量恒星形成区分子外向流的演化图像：外向流的张角随着时间逐渐增大，这一点和小质量恒星形成相似，不同的是，大质量恒星形成到了超致密电离氢区阶段，外向流中间的准直成分将消失；（2）分别得到了大张角和喷流状外向流的谱线发射强度比随速度的变化，并进而得到温度、密度结构，发现大张角盘风和喷流弓激波模型可以分别解释两类外向流气体的加速；（3）根据前两部分的研究，并分析比较成熟的小质量外向流理论，发现从小质量外向流模型外推的角度发展完整的大质量外向流理论模型是可行的，另外，磁场在大质量外向流的驱动和准直过程中起着重要作用。受本项目资助（或部分资助），我们在ApJ等核心天文期刊发表论文14篇，其中主要由本项目资助并且第一标注本项目批准号的论文有4篇。本项目培养硕士研究生1名，博士研究生3名，资助1名博士后。项目负责人和学生多次在国内和国际学术会议做邀请报告或口头报告。