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银河中的星厂——以分子看繁忙期生产线
以国立天文台的原田茄子助教、欧洲南天天文台/联合阿尔玛观测所的塞尔吉奥·马丁博士、美国国立电波天文台的杰夫·曼汉博士为中心的国际研究小组，使用阿尔玛望远镜观测了银河系外爆发性地产生星星的银河NGC 253的中心部，检测出了100多个分子种类。 通过分析，以前所未有的详细形式描绘了NGC 253中心部分混合存在于星球进化各个阶段的区域的情况。 另外，在得到的多个分子种类的分布图中应用机器学习的方法，明确了除了以往作为了解星星进化阶段的“指标”使用的分子种类之外，还有几个分子种类可以作为指标使用。 在显着缩短宽频率范围观测时间的阿尔玛2计划的支持下，今后，通过同时观测更多指标分子，可以期待理解爆发性产生星星的机制。 图1基于本探测得到的知识，星暴银河NGC 253中心部的想象图
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO )
宇宙中有一个银河，它发生了比银河系频率高得多的产生星星的“星暴”。 爆发性地产生星星，相反地抑制星星的结构还不太清楚。 即使在作为制造星星的材料的分子气体像云一样聚集的分子云中，星星也会在分子气体密度特别高的地方产生。 在产生活跃星星的活动(星星形成)之后，刚出生的高温星星和即将死亡的星星的爆炸(超新星爆炸)向周围释放能量，星星的形成有被抑制的倾向。
这些星星的进化阶段被认为与分子气体的状态有密切的关系，分子气体的状态也影响着各种种类分子的组成。 因此，调查分子气体的组成是了解星暴机制的关键。 分子气体的状态及其组成不同，发射的电波频率也不同。 为了调查各种状态和种类的分子，进行大频率范围的电波观测是有效的。
以国立天文台的原田茄子助教、欧洲南天天文台/联合阿尔玛观测所的塞尔吉奥·马丁博士、美国国立电波天文台的杰夫·曼汉博士为中心的国际研究小组，对于距离地球约1000万光年的银河系以外最近的星暴银河NGC 253的中心部分，使用阿尔玛望远镜进行了广泛的研究 作为银河系外的天体，这是至今为止最高的数量。 其中有些分子在银河系外首次被检测到，例如乙醇和氮化磷。 通过分析，成功地详细了解了NGC 253中心星球的演化阶段。 另外，该勘探是作为名为ALCHEMI的辐射程序(注1 )实施的。 该程序名称以alma comprehensive high-resolution extra galactic molecular inventory的开头字母开头，同时模仿了表示炼金术的英语alchemy，这是一个用阿尔玛进行调查各种分子组成的“星际化学”这个领域的程序。首先，研究小组发现，NGC 253中心的分子气体密度很高。 分子气体的温度和密度不同的话，哪个频率的电波强度高，哪个频率低的模式不同，所以可以根据观测到的光谱(各频率的电波强度)的模式推测分子气体的密度。 得知NGC 253中心部的高密度气体的量是银河系中心部的10倍以上。 在密度高的地方，重力高效地作用，分子气体凝结，产生星星。 NGC 253的每分子气体量的星星形成频率为银河系的30倍以上，非常高，这可能是因为分子气体的密度高。
那么，它是怎么变成高密度的呢？ 高密度压缩分子云的机制之一是分子云的碰撞。 在NGC 253中心部的气体和星星的流动交叉的区域附近可能会发生分子云的碰撞。 这个碰撞的现象也可以通过分子气体放出的电波的观测来捕捉。 发生碰撞时，会产生以超音速前进的冲击波，使冻结在冰微粒表面的甲醇、二氧化碳、异氰酸等分子蒸发。 这些分子作为气体蒸发后，就可以用电波望远镜观测到了。 通过本勘探，观测到了这些分子种类，由此可以认为发生了分子云的碰撞，由此引起了分子气体的压缩。 这样，检测特定的分子种类有时会成为表示特定现象和状态的“指标”。
另外，在本勘探中，在NGC 253中心部发现了富含复杂有机分子的区域。 众所周知，在这个区域，年轻星球的形成很活跃。 在银河系内，复杂的有机分子在年轻星球周围丰富可见。 由此可见，在NGC 253中，活跃的恒星形成可能会产生与银河系中各个年轻恒星(原始恒星)周围所见相似的高温、高密度环境。
像减慢恒星形成那样的、上一代恒星留下的恶劣环境，本勘探也已经明确了。 大质量星结束一生时，会发生超新星爆炸，释放出高能宇宙射线。 在这个宇宙射线注入了更多能量的地方，气体很难凝结，很难形成星星。 这种恶劣环境的指标是，氢分子被宇宙射线剥掉电子而产生的水合氢等。 从本探测得到的电波强度光谱中，得知存在着分子的电子以太阳系附近至少1000倍以上的速度被宇宙射线剥离的区域。
因此，ALCHEMI项目在世界上首次明确了，多亏了艾玛望远镜的高空间分辨率，如图2所示，NGC 253的中心区域中混杂着星星进化各个阶段的地方。 图2 (上)从观测得到的光谱。 (下)从ALCHEMI项目对各种指标分子的观测中看到的NGC 253中心部的模式图。
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO )、S. Martin、N. Harada、J. Holdship et al .
另外，通过ALCHEMI项目，我们得到了关于比以往银河系外天体的研究多得多的分子种类的分布图(图3 )。 明确了通过在分布图中应用机器学习的方法，在寻找可以作为星星进化各阶段指标的分子时，除了以往作为指标使用的分子种类之外，还有几个分子种类可以作为指标使用。 也就是说，通过同时观测更多的指标分子，开辟了进一步理解星暴机制的途径。 但是，这需要宽频率范围的观测，目前观测需要相当长的时间。 现在，在阿尔玛2计划中，扩大一次可以观测的频率范围的“宽带灵敏度升级( WSU: Wideband Sensitivity Upgrade )”正在进行中。 这个升级完成后，大频率范围的观测所需的时间将大幅缩短。 通过这次的成果和阿尔玛2计划，期待今后对大频率范围的大规模探测引起的星暴机制的理解有飞跃性的进展。 图3 ALCHEMI项目观测到的NGC 253中心部的各种分子种类的分布图。
蓝色:分子气体的整体分布，红色:冲击波，橙色:密度比较高的地方、
黄色:年轻的星星形成，品红色:更发达的星星形成，浅蓝色:宇宙线的影响
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO )，N. Harada et al .
(注1 )阿拉木图程序:以使用50小时以上的长观测时间取得总结性成果为目的的程序
<论文信息>
· Harada et al. (ApJS，2024 )“the al chemi atlas:principal component analysis reveals star burst evolution in in NGC 253”221; 2024年3月15日出版
· Martin et al. (A&A 2021 )“ALCHEMI，an alma comprehensive high-resolution extra galactic molecular inventory.survey presentation
· Tanaka et al. (ApJ 2024 )“volume density structure of the central molecular zone NGC 253 through al chemi excitation analysis”10.3847/10
· Huang et al. (A&A 2023 )“re constructing the shock history in the cmz of NGC 253 with al chemi”10.1051/0004-6361/202245659
· Behrens et al. (ApJ 2022 ) " tracing interstellar heating:an al chemi measurement of the HCN isomers in NGC 253 " 10.3847/1538-4357 /
· Harada et al. (ApJ 2022 )“al chemi finds a”“shocking”carbon footprint in the star burst galaxy NGC 253 " 10.3847/1538-4357/a c8/a c8
· Humire et al. (A&A 2022 )“NGC 253 with al chemi”10.1051/0004-6361/202243384
· Holdship et al. (A&A 2022 )“能源之星格式: the cosmic-ray ionization rate in NGC 253 derived from al chemi measurements of
· Haasler et al. (A&A 2022 )“first extra galactic detection of a phosphorus-bearing molecule with al chemi:phosphorus nitride ( pn )
· Harada et al. (2021 ApJ )“star burst energy feedback seen through HCO +/hoc + emission in NGC 253 from al chemi”10.3847/1538-437
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