亮紅外星系NGC 1614中多譜線示蹤的致密分子氣體*

陳玉東 高 煜 談清華

(1中國科學(xué)院紫金山天文臺南京210023)

(2中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院合肥230026)

(3廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院天文學(xué)系廈門361005)

1 引言

在近鄰宇宙中，像(極)亮紅外星系((U)LIRG)這類有著極強紅外輻射(LIR(8-1000μm)≥1011L⊙)的星系并不多見，其中LIR為星系(8-1000μm)紅外波段輻射的總光度，L⊙為太陽光度.在這些星系中，有著強烈的恒星形成活動，且通常與星系的合并活動密切相關(guān)[1-2].在并合過程中，氣體丟失角動量流入星系中心，觸發(fā)星暴活動，同時觸發(fā)中心黑洞核活動，對星系的演化起著重要作用.星系紅外光度函數(shù)研究發(fā)現(xiàn)LIRG和ULIRG的數(shù)密度隨紅移演化，在高紅移z＞1處對紅外背景輻射的貢獻可能占主導(dǎo)[3-4].因此，對鄰近宇宙LIRG高角分辨率的研究能夠?qū)崿F(xiàn)對極端SF(Star Formation)環(huán)境的獨特描述，也能對高紅移星系SFR(Star Formation Rate)的研究提供重要參考[5].

通常，星系中的活動可以總結(jié)為兩大類，一是高度活躍的恒星形成活動，也稱為星暴活動(Star Burst，SB)，另一類就是星系中心超大質(zhì)量黑洞吸積氣體觸發(fā)核活動(即活動星系核，AGN)釋放巨大能量.顯然，分子氣體在這些活動過程中不僅起著提供燃料的作用，而且還受到這些活動的強烈影響.受這些星系活動的類型、強烈程度和演化階段的影響，分子氣體的激發(fā)條件和化學(xué)豐度的變化可能涉及不同的物理過程，比如說強紫外線(UV)或者X射線輻射場的作用亦或者運動學(xué)過程，例如星系相互作用、大尺度激波、氣體流出或流入.因此研究星系分子氣體的組成和特征，對于理解星系的恒星形成，星系活動演變以及AGN和SB活動之間可能存在的物理關(guān)聯(lián)也至關(guān)重要.

然而，由于這些星系中心核區(qū)的活動，其紫外和光學(xué)等波段的輻射通常被塵埃遮蔽，而毫米波和亞毫米波波段的觀測，則對于研究星系中心核活動提供了有力的工具.12CO(1-0)和13CO(1-0)分子譜線常被用來示蹤星系分子氣體的空間分布，以及運動學(xué)特征[6-7]，而具有高偶極矩、高臨界密度的HCN、HCO+致密分子譜線，可以示蹤致密分子氣體[8-11].以往的觀測研究表明，致密分子氣體的空間分布與低密度分子氣體的分布有明顯不同，致密分子氣體主要集中于星系中心區(qū)域[6，8，12-14].在這些并合的LIRG中，存在著豐富的致密(n(H2)＞104cm－3，其中n(H2)為H2分子氣體體密度)分子氣體，而恒星往往形成于這些致密分子氣體中[8-9，15].單鏡和毫米/亞毫米波干涉陣的觀測發(fā)現(xiàn)，在(U)LIRG星系中，示蹤溫暖致密氣體的CO高階(J≥3，J為轉(zhuǎn)振能級量子數(shù))躍遷線輻射和恒星形成的強度和空間分布密切相關(guān)[6，13，16-18].同樣，具有高偶極矩的分子，例如HCN、HCO+和HNC，不僅可以有效地示蹤高密度分子氣體，也和恒星形成活動密切相關(guān)[8，12].但是這些致密分子譜線由于豐度較低，因此相比于CO分子譜線要暗得多.

由于AGN和SB產(chǎn)生的輻射場的差異，AGN周圍分子氣體的激發(fā)條件和化學(xué)環(huán)境與SB環(huán)境下的明顯不同.已有的文獻研究表明，12CO/13CO、HCN/HCO+、HCN/CO等譜線強度比值，可以分析隱藏在富塵埃星系中心核區(qū)域內(nèi)的星暴和AGN中涉及的物理和化學(xué)過程[7-8，10-12，19-23].

為了探討分子氣體，尤其是致密分子氣體、恒星形成以及AGN活動之間的關(guān)系，研究分子氣體激發(fā)條件是很有必要的.在富塵埃環(huán)境里形成H2后，由于塵埃-氣體碰撞或者引力收縮，分子氣體可以被宇宙線加熱(將H2電離).在高密度環(huán)境里，相比于通過宇宙線或者分子氫形成加熱，氣體塵埃碰撞是占優(yōu)勢地位的.除此以外，激波、恒星形成活動的不同演化階段(對于星暴而言尤為重要)、被UV/X射線加熱的塵埃通過紅外輻射抽運泵浦作用對氣體的非碰撞激發(fā)[24]和超新星爆發(fā)(SNe)[25-26]，這些因素同樣對譜線流量比值的變化有著重要的影響.

得益于ALMA(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)的高分辨率和高靈敏度觀測數(shù)據(jù)，使我們可以詳細研究近鄰星系中致密分子氣體和總氣體的空間分布和物理性質(zhì)以及分子譜線強度比值的空間分布和氣體物理環(huán)境的變化.

NGC 1614是一個近鄰的、有著并合跡象的LIRG(紅外光度LIR=1011.65L⊙、光度距離67.8 Mpc、物理尺度為1′′=329 pc[27]).圖1展示了星系NGC 1614 HST(Hubble Space Telescope)F606W WFPC2(Wide Field Planetary Camera II)的光學(xué)圖像，并疊加了這個星系12CO(1-0)譜線的等值線.V¨ais¨anen等[28]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)NGC 1614是由兩個富含氣體的星系并合而成，這兩個并合星系的質(zhì)量比大概是3:1-5:1，并且在光學(xué)圖像上可以看到明顯的并合特征-潮汐尾.此外，在分子氣體多種示蹤分子圖像上，都分辨出了恒星形成環(huán)的存在，比如Paα[29]、射電連續(xù)譜[30]、PAH(Polycyclic Aromatic Hydrocarbon)[28]、12CO(2-1)[31]和12CO(6-5)[32].對于星暴環(huán)的形成，目前有兩種競爭性的假設(shè):其中一個是，Alonso-Herrero等[29]提出的“wildf ire”假設(shè)，即星暴環(huán)是由中心核的星暴活動向外擴展(propagating)形成的;另一個是，星暴環(huán)是在“Lindblad”共振的位置處形成的，由穿越星暴環(huán)北部的塵埃帶提供氣體作為燃料，為環(huán)中恒星形成活動提供動力[30].

圖1 NGC 1614 HST F606W WFPC2光學(xué)圖像(http://hla.stsci.edu/).圖中向上指向北，向左指向東，橫坐標是赤經(jīng)(RA)，縱坐標是赤緯(Dec).等值線是12 CO(1-0)積分強度值，分別是5σ、10σ、15σ、20σ、25σ，1σ=0.219 Jy·beam-1·km·s-1.在星系中心區(qū)域的北部有一個塵埃帶穿過星系.Fig.1 The HST F 606W WFPC2 optical image(http://hla.stsci.edu/)of the NGC 1614.The orientation is north up，east to the left and the abscissa is right ascension(RA)，the ordinate is declination(Dec).Contour:12 CO(1-0)integrated intensity emission line，levels are 5σ－25σ，with steps of 5σ，1σ=0.219 Jy·beam-1·km·s-1，there is a dust lane crossing the galaxy just north of the central region of galaxy.

Olsson等[30]的研究表明在環(huán)上存在較年輕的星暴活動(5-10 Myr)，而星系中心的星暴活動則較年老(＞10 Myr).NGC 1614整體的恒星形成率(SFRtot)約為51.3 M⊙·yr－1[33]，星暴環(huán)為32.8 M⊙·yr－1[32].在Imanishi等人在2013年的工作中發(fā)現(xiàn)[34]，致密分子HCN、HCO+和HNC的J=4-3譜線流量比值符合星暴星系的標準，從而可以推斷在星系中心AGN活動的跡象可能較弱;這一結(jié)論也與ALMA 435μm連續(xù)譜圖像[32]中的分析結(jié)果一致.另外，Garc′?a-Burillo等[35]發(fā)現(xiàn)NGC 1614有大質(zhì)量的分子外流(3×107M⊙;˙Mout～40 M⊙·yr－1，其中M⊙為太陽質(zhì)量，˙Mout為分子氣體質(zhì)量外流速率)并且是由星暴環(huán)中恒星形成活動提供動力.表1列舉了NGC 1614的基本物理性質(zhì)，其中DL為光度距離，rin為星暴環(huán)內(nèi)半徑，rout為星暴環(huán)外半徑.

表1 星系NGC 1614基本物理性質(zhì)Table 1 The basic physical p rop erties of NGC 1614

NGC 1614是一個有著明顯并合特征的近鄰亮紅外星系，有著豐富的觀測數(shù)據(jù)資源，尤其是ALMA高空間分辨率的觀測數(shù)據(jù).借助這些數(shù)據(jù)，可以深入了解這個星系中氣體的分布，利用譜線強度比了解氣體的激發(fā)環(huán)境，能夠?qū)Ω呒t移亮紅外星系的研究提供參考.第2節(jié)介紹使用的數(shù)據(jù)及分析方法.第3節(jié)介紹了主要的結(jié)果.第4節(jié)分析討論星系中心區(qū)域HCN/HCO+比值的變化.最后，在第5節(jié)給出研究的結(jié)論.

2 數(shù)據(jù)

從ALMA的歸檔數(shù)據(jù)1https://almascience.nrao.edu/asax/中，獲取了NGC 1614的CO J=1-0、3-2、6-5，HCN J=3-2、4-3和HCO+J=3-2、4-3致密分子躍遷譜線數(shù)據(jù).在表2中，列出了所用數(shù)據(jù)的簡要信息.在表3中，列出了這些分子譜線臨界密度和上能級溫度.

表2 使用的分子譜線數(shù)據(jù)的簡要信息Table 2 The brief inform ation of molecular line d ata

表3 分子線的臨界密度和上能級能量Table 3 Cr itical d ensities and up p er level ener gies of the m olecular lines

對于HCN(4-3)和HCO+(4-3)、12CO(6-5)以及12CO(3-2)和HCO+(4-3)譜線數(shù)據(jù)，本文進行了重新成像處理.對于部分分子譜線數(shù)據(jù)，利用ALMA標準數(shù)據(jù)處理軟件CASA(Common Astronomy Software Applications)[38]，從經(jīng)過標準校準的數(shù)據(jù)開始進行數(shù)據(jù)分析.首先檢查在可見性圖中是否看到發(fā)射線信號，使用CASA的task-“tclean”對減去連續(xù)譜的分子譜線數(shù)據(jù)進行潔化，來提高信噪比，并采用“briggs”數(shù)據(jù)加權(quán)(robust=0)，生成分子線的cube數(shù)據(jù)文件.對于12CO(6-5)、12CO(3-2)和HCO+(4-3)以及HCN(4-3)和HCO+(4-3)譜線，處理得到的速度分辨率分別為～7 km·s－1、5 km·s－1、17 km·s－1，像素大小分別為0.05′′、0.1′′、0.25′′.對于其他分子譜線數(shù)據(jù)，直接使用歸檔數(shù)據(jù)中提供的cube數(shù)據(jù)圖像.使用CASA的task-“immoments”積分含有信號的速度通道，獲得積分強度圖像.利用這些積分強度圖，獲得積分強度比值圖.首先將兩張圖像像素大小一致，以使圖像空間位置對齊;使用CASA的task-“imsmooth”匹配分子譜線的角分辨率，采用“pixel by pixel”的方式，使用CASA的task-“immath”來制作分子譜線的積分強度比值圖.選擇顯示信號大于3倍信噪比的區(qū)域，來顯示積分強度比值圖.

使用CASA的task-“specf lux”，對星系中心約8′′的區(qū)域(覆蓋中心亮發(fā)射線區(qū)域)進行了不同分子的流量測量.為了獲得每條發(fā)射線的流量誤差，利用這些無發(fā)射線信號的速度通道來估算均方根(root mean square，rms)，并利用Matthews等人2001年文獻中的標準誤差公式[39]

來計算流量誤差ΔI，其中Trms是分子譜線強度的均方根誤差，f=ΔvFWZI/δv，ΔvFWZI是分子譜線的線寬，δv是譜線所占的速度通道數(shù)，W是譜線整個速度范圍(單位是km·s－1).表2列出不同分子的觀測信息以及測量得到的速度積分強度大小.

3 結(jié)果

參考Sliwa等[36]2014年的工作中采用的位置定義，定義了4個區(qū)域，中心坐標分別是北部(north)(RA(J2000)=04h34m00s.000，Dec(J2000)=-08°34′44.251′′)，南部(south)(RA(J2000)=04h34m00s.020，Dec(J2000)=-08°34′45.844′′)，東部(east)(RA(J2000)=04h34m00s.080，Dec(J2000)=-08°34′45.006′′)，西部(west)(RA(J2000)=04h33m59s.980，Dec(J2000)=-08°34′45.064′′).以8.4 GHz連續(xù)譜的射電中心(RA(J2000)=04h34m00s.030，Dec(J2000)=-08°34′45.1′′)作為該星系的中心位置(hole).前述坐標均為赤經(jīng)與赤緯.紅色圓圈代表星暴環(huán)的外直徑[30-32]，約1.1′′(物理尺度～360 pc).

3.1 積分強度圖

在圖2中，展示了NGC 1614的9條分子譜線的積分強度圖，分別是12CO(J=1-0、3-2、6-5)，13CO(J=1-0)，HCN(J=3-2、4-3)和HCO+(J=3-2、4-3).在圖中，位于左下角的藍色橢圓代表每種分子觀測的分辨率大小，中心紅色的十字符號代表8.4 GHz連續(xù)譜的射電中心位置，即hole;黑色十字符號代表前文定義的環(huán)中的4個位置(north、east、west、south);紅色圓圈表示星暴環(huán)的外直徑.不同分子觀測的角分辨率對應(yīng)的空間物理尺度范圍大概在12CO(6-5)的85.5 pc×65.8 pc到HCN(4-3)的490.5 pc×425.1 pc之間.

圖2的分子積分強度分布清楚展示了星系中心區(qū)域的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，環(huán)狀結(jié)構(gòu)的空間尺度大概在100-350 pc范圍內(nèi).同時，12CO(1-0)的積分強度圖顯示出向東北、西南、東南的延展結(jié)構(gòu)，與文獻中數(shù)據(jù)展示的結(jié)構(gòu)基本一致[23].根據(jù)已有的12CO(2-1)[31]和12CO(1-0)[23]的研究，塵埃帶從環(huán)北部穿越，且環(huán)繞星暴環(huán)向南延伸，在南部可能存在塵埃帶的延續(xù)結(jié)構(gòu)(見圖1);在北部區(qū)域附近存在一個“umbilical cords”結(jié)構(gòu)，氣體由此從塵埃帶進入星暴環(huán).因此CO分子氣體的分布極可能是受到塵埃帶的影響.同時，譜線強度的峰值位置主要集中在星暴環(huán)的北部、西部和南部區(qū)域，東部分子氣體的發(fā)射相對較弱.另外，在星系的中心位置，也就是8.4 GHz連續(xù)譜的射電中心位置，所有的譜線都沒有較強的發(fā)射強度.在圖2中，展示了較低分辨率(1.47′′×1.32′′)的HCN(4-3)和HCO+(4-3)分子譜線積分強度圖.雖然，細節(jié)結(jié)構(gòu)沒有分辨出來，但這兩條譜線的強度分布，同樣集中于星暴環(huán)的北部、南部和西部區(qū)域，在東部和中心譜線發(fā)射很少，和Imanishi等人于2013年工作中展示的結(jié)果一致[34].這表明，分子氣體主要集中于星暴環(huán)的北部、西部和南部區(qū)域，且可能有著不同的氣體成分.在Xu等[32]2015年和Saito等[40]2016年的工作中，他們的REDAX(在非熱動平衡條件下計算均勻分子云中分子譜線強度的程序代碼)多模型檢驗結(jié)果表明，在星暴環(huán)區(qū)域可能確實存在著兩種氣體成分:冷氣體成分(～19 K)和熱氣體成分(＞70 K).

圖2中，12CO(3-2)、12CO(6-5)、HCO+(3-2)和高空間分辨率的HCO+(4-3)等分子譜線的積分強度分布和文獻中使用數(shù)據(jù)所展示的分布結(jié)果一致[22，32，36].可以看出，輻射強度分布更緊湊，并且星暴環(huán)空間結(jié)構(gòu)也已經(jīng)解析出來;在除12CO(3-2)以外的其他致密分子譜線積分強度圖中，并未探測到如12CO(1-0)等低階分子譜線中的延展結(jié)構(gòu).這表明星暴環(huán)以外區(qū)域的氣體可能處于彌散狀態(tài)，這樣的物理環(huán)境只能足夠激發(fā)臨界密度較低的低階CO分子譜線(見表3).此外，這些分子譜線在星系中心幾乎沒有探測到發(fā)射，尤其是12CO(6-5)分子譜線和較高分辨率的HCO+(4-3)分子譜線.這表明，在星系中心分子氣體含量較少.相關(guān)文獻[29]研究表明，星系中心核區(qū)的恒星形成活動向外擴展，而核區(qū)的恒星形成活動消耗掉了大量的分子氣體;這和圖中展示的結(jié)果相一致.

Xu等[32]對12CO(6-5)分子譜線的研究發(fā)現(xiàn)，在星暴環(huán)中發(fā)現(xiàn)了很多分子云團塊狀結(jié)構(gòu)，并且發(fā)現(xiàn)了幾個未解析的節(jié)(knot)狀結(jié)構(gòu).同樣，在K¨onig等[31]高分辨率的12CO(2-1)觀測中，在星暴環(huán)及塵埃帶中發(fā)現(xiàn)了10個GMA(Giant Molecular Association).這些GMA和knot結(jié)構(gòu)可能與塵埃帶的分布關(guān)聯(lián)，這些結(jié)構(gòu)主要存在于北部、西部和南部區(qū)域(見圖2).此外，12CO(3-2)和HCO+(4-3)分子譜線強度分布，也同樣顯現(xiàn)出類似的分子云團塊結(jié)構(gòu).

3.2 流量

在表2中展示了分子譜線測量所得到的流量及相應(yīng)的誤差.因數(shù)據(jù)分析過程和流量計算方法的不同，本文中測量得到的譜線流量值與文獻中給出的有所差異.12CO(1-0)和13CO(1-0)測量得到的流量值分別是(211.20±0.15)Jy·km·s－1和(4.03±0.11)Jy·km·s－1，而文獻[23]給出的分別是(241±1.0)Jy·km·s－1和(6.6±1.0)Jy·km·s－1.測量值有所不同可能是因為本文使用的是ALMA 12米陣列數(shù)據(jù)測量的結(jié)果，相比文獻結(jié)合ALMA ACA(Atacama Compact Array)7米陣列和12米陣列的測量，存在少量的流量丟失.測量得到的HCN(3-2)和HCO+(3-2)(分別為(6.76±0.26)和(17.34±0.32)Jy·km·s－1)以及HCN(4-3)和HCO+(4-3)(分別為(3.94±0.36)和(11.66±0.46)Jy·km·s－1)的流量值，與文獻中HCN(3-2)和HCO+(3-2)(分別為(5.1±1.7)和(15.7±1.5)Jy·km·s－1)[22，34]以及HCN(4-3)和HCO+(4-3)(分別為(2.8±0.8)和(16.0±1.4)Jy·km·s－1)給出的流量值相比，略有不同.另外對于兩次HCO+(4-3)觀測，對比測量的流量值發(fā)現(xiàn)，高分辨率觀測獲得流量值((23.55±0.13)Jy·km·s－1)高于低分辨率觀測得到的流量值((11.66±0.46)Jy·km·s－1)，與文獻中給出的高分辨率HCO+(4-3)流量測量值((24.33±0.6)Jy·km·s－1)[36]和低分辨率HCO+流量測量值((16.0±1.4)Jy·km·s－1)[34]的結(jié)果表現(xiàn)一致.而Wilson等人于2008年使用SMA(Submillimeter Array)觀測(2.6′′×2.1′′)獲得HCO+(4-3)的流量值為≥(14.0±3)Jy·km·s－1[6]，與ALMA低分辨率(1.47′′×1.32′′)HCO+(4-3)觀測獲得的流量值大體一致，因此推測ALMA高分辨率HCO+(4-3)數(shù)據(jù)的流量定標可能有一些問題，還需進一步驗證.

3.3 積分強度比值圖

HCN和HCO+具有較高的偶極矩，碰撞激發(fā)所需的臨界密度比CO分子的要高約100倍(見表3)，因此能夠很好地示蹤致密分子氣體環(huán)境.圖3中展示了致密分子HCN和HCO+不同轉(zhuǎn)動能級躍遷之間以及與CO分子的積分強度比值圖，HCO+(4-3)/12CO(3-2)和HCO+(4-3)/12CO(6-5)不作詳細討論.

圖3 與致密分子躍遷線相關(guān)的積分強度比值圖.位于左下角的藍色橢圓代表每張積分強度比值圖卷積到的分辨率大小.HCN(4-3)/HCO+(4-3)強度比值圖使用的是低分辨率的HCO+(4-3)數(shù)據(jù);下面3張圖，使用的是高分辨率的HCO+(4-3)數(shù)據(jù).圖中等值線的名稱、范圍、步長、1σ值按照從左到右從上到下的順序分別為HCN(3-2)、2σ～8σ、1σ、1σ=0.293 Jy·beam-1·km·s-1;HCN(4-3)、2σ～8σ、1σ、1σ=0.370 Jy·beam-1·km·s-1;12 CO(1-0)、5σ～25σ、5σ、1σ=0.219 Jy·beam-1·km·s-1;12 CO(1-0)、5σ～25σ、5σ、1σ=0.219 Jy·beam-1·km·s-1;12 CO(3-2)、3σ～27σ、3σ、1σ=1.24 Jy·beam-1·km·s-1;1 2 CO(6-5)、3σ～18σ、3σ、1σ=2.284 Jy·beam-1·km·s-1.Fig.3 The integrated intensity ratio maps related to the dense molecular transition lines.The blue ellipse in the lower left corner represents the resolution to which each integrated intensity ratio map is convolved.The HCN(4-3)/HCO+(4-3)ratio map uses the lower resolution HCO+(4-3)data;while the bottom three images use the higher resolution HCO+(4-3)data.The name，range，step，1σvalue of the image contours in order from left to right，top to bottom，followed by HCN(3-2)，2σ～8σ，1σ，1σ=0.293 Jy·beam-1·km·s-1;HCN(4-3)，2σ～8σ，1σ，1σ=0.370 Jy·beam-1·km·s-1;12 CO(1-0)，5σ～25σ，5σ，1σ=0.219 Jy·beam-1·km·s-1;12 CO(1-0)，5σ～25σ，5σ，1σ=0.219 Jy·beam-1·km·s-1;1 2 CO(3-2)，3σ～27σ，3σ，1σ=1.24 Jy·beam-1·km·s-1;1 2 CO(6-5)，3σ～18σ，3σ，1σ=2.284 Jy·beam-1·km·s-1.

HCN(4-3)/12CO(1-0)和HCO+(4-3)/12CO(1-0)可以表征致密分子氣體含量比例(fdense)，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)這一比值與星系的恒星形成活動的劇烈程度相關(guān)[8].需要注意的是，由于高分辨率的HCO+(4-3)數(shù)據(jù)在pipeline進行流量定標時，存在一定的誤差，因此在做與HCO+(4-3)相關(guān)的強度比值大小的分析時，也存在一些誤差;而本文中，只討論NGC 1614中心不同區(qū)域強度比值相對的分布變化.在圖3中，HCN(4-3)/12CO(1-0)和HCO+(4-3)/12CO(1-0)積分強度的比值，在星系中心區(qū)域比較高，然后向星系中心外區(qū)域降低.這表明，在星系中心區(qū)域擁有更多的致密分子氣體.由于HCN(4-3)/12CO(1-0)積分強度比值圖有較低的分辨率，因此在比值圖上無法得知更細致的結(jié)構(gòu)，而HCO+(4-3)/12CO(1-0)的強度比值則展示出了更細致的區(qū)域分布.圖4展示了不同分子積分強度比值在星系不同區(qū)域的分布變化，HCN(4-3)/12CO(1-0)在中心區(qū)域(除核區(qū))的比值比較高(0.46±0.01)，而在星系中心環(huán)狀區(qū)域趨近于一個常數(shù)(0.35±0.05).HCO+(4-3)/12CO(1-0)強度比值在中心區(qū)域尤其是星暴環(huán)區(qū)域較高(0.17～0.26)，而在環(huán)的北部和西部相比于其他區(qū)域呈現(xiàn)更高的值.更為明顯的是在星系中心核區(qū)有著較低的值，這也和前面的積分強度分布一致.分析表明:星系中心區(qū)域有較多的致密分子氣體，且在環(huán)的不同區(qū)域，致密分子氣體的含量占比也不同，表明分子環(huán)的不同區(qū)域氣體激發(fā)環(huán)境不同.

圖4 不同區(qū)域的致密分子譜線積分強度比值(最大值-藍色，最小值-橘黃色，平均值-綠色，中值-紅色)的折線變化圖.中值加上了誤差棒.HCN(4-3)/HCO+(4-3)使用的是低分辨率的HCO+(4-3)數(shù)據(jù)，HCO+(4-3)/12 CO(1-0)使用的是高分辨率的HCO+(4-3)數(shù)據(jù).Fig.4 The variation of HCN and HCO+emission line ratios(maximum-blue，minimum-orange，mean-green，median-red)in different regions.Error bars are added to the median value.HCN(4-3)/HCO+(4-3)uses the lower resolution HCO+(4-3)data，while the HCO+(4-3)/12 CO(1-0)uses the higher resolution HCO+(4-3)data.

圖4顯示HCN/HCO+(J=3-2、4-3)的強度比值分布大體上是一致的:在環(huán)的東部區(qū)域有著比較高的值，環(huán)的西部、北部、南部則有相對較低的值.由于HCN/HCO+在J=3-2的數(shù)據(jù)空間分辨率要高于J=4-3，因此在兩張圖中看到的細節(jié)變化有所不同.對于HCN/HCO+(3-2)強度比值圖，根據(jù)3倍信噪比對圖像進行修剪，信噪比較高的強度比值主要集中于星系中心區(qū)域，在北部、西部和南部外圍也存在比值分布;比較高的值(～0.38±0.04)分布于HCN(3-2)峰值位置(見于圖3中的等高線)，而星暴環(huán)的西北部以及東南部的強度值則比較低(～0.3±0.03);而對于HCN/HCO+(4-3)，存在比值分布的區(qū)域較HCN/HCO+(3-2)的要大一些，在星暴環(huán)外圍的東部和西部有較高的值(～0.44±0.04);在星暴環(huán)北部的塵埃帶位置(北部)及南部，有較低的值(～0.35±0.03).由于HCO+相對HCN的臨界激發(fā)密度較低，因此HCN/HCO+比值的變化也可能表明星暴環(huán)不同區(qū)域氣體密度的差異.

4 討論

由于AGN和恒星形成活動，對周圍的氣體環(huán)境產(chǎn)生不同的影響[41]，不同區(qū)域具有不同的激發(fā)環(huán)境，可能導(dǎo)致分子譜線的強度比值在星系不同區(qū)域之間具有不同的分布.相關(guān)研究表明，導(dǎo)致分子譜線強度比值的變化，可能與多種物理機制有關(guān).從Meijerink等[42]模擬的結(jié)果可以得知，在相同的躍遷線和線不透明度條件下，HCN的臨界密度比HCO+的要高約5倍.因此，在相同密度和溫度下的分子氣體環(huán)境中，HCO+分子線比HCN分子線更容易被激發(fā).因此，氣體密度和溫度對此星系中心區(qū)域分子譜線積分強度比值的變化有很重要的影響.

HCN輻射強度的增加也可能導(dǎo)致更高的HCN/HCO+分子譜線強度比值.相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，有兩種機制可能導(dǎo)致HCN的輻射強度增加:來自年輕大質(zhì)量恒星形成區(qū)的O型和B型星的紫外輻射[43-45]，或者來自AGN的強X射線輻射[46-47].UV輻射主要影響星系中心≤1 kpc區(qū)域的分子云表面，從而形成光致電離區(qū)(Photon Dissociation Region，PDR);而AGN產(chǎn)生的X射線輻射可以穿透到星系外圍的星周盤(circumnuclear disk)區(qū)域，從而形成巨大的X射線電離區(qū)(X-ray Dissociation Region，XDR).對于NGC 1614這個星暴星系，星暴活動中產(chǎn)生的UV輻射可能是導(dǎo)致HCN/HCO+比值不同的原因之一.以往的研究表明[29]，在NGC 1614中存在著較為年輕的恒星形成活動.Paα(1.88μm)輻射起源于HII區(qū)，在這個區(qū)域中存在著大量的電離UV光子(λ＜912?A)，且主要由壽命較短的大質(zhì)量O型星主導(dǎo).Alonso-Herrero等[29]通過對Paα的空間分布研究發(fā)現(xiàn)，Paα主要分布于星暴環(huán)的東西部，因此星暴環(huán)的東部和西部存在HII區(qū).Olsson等[30]的研究發(fā)現(xiàn)，星暴環(huán)中的恒星形成活動(5-10 Myr)比星系中心的要年輕，并且在D′?az-Santos等[48]的研究中得出，星暴環(huán)南北部的星暴活動年齡比東西部要年老.

因此可以推斷，由于星暴環(huán)東西部存在年輕的星暴活動，壽命較短的O型星產(chǎn)生的UV輻射增加了HCN分子的輻射強度，對HCN/HCO+比值的變化造成了影響.對于HCN/HCO+(4-3)強度比值圖，結(jié)合比值變化折線圖了解到，在星暴環(huán)東西部區(qū)域相對較高的比值分布可能是受到了星暴活動導(dǎo)致HCN豐度增加的影響;同樣對于HCN/HCO+(3-2)在東部區(qū)域的變化也是如此.

SNe或者來自宇宙射線的電離作用[25]，也可能導(dǎo)致HCN/HCO+比值的變化，因為它可以增加HCO+分子的輻射強度，同時可以降低演化(evolved)星暴星系中的HCN分子輻射強度.3.3μm PAH輻射主要來自于PDR，V¨ais¨anen等[28]研究了NGC 1614中3.3μm PAH譜線發(fā)射特征的空間分布，在星暴環(huán)的北部和南部發(fā)現(xiàn)強烈的PAH輻射，可知在NGC 1614中，PDRs主要在星暴環(huán)的北部和南部.在EVN(European Very Long Baseline Interferometry(VLBI)Network)5.0和8.4 GHz連續(xù)譜觀測中[49]，在(RA(J2000)=04h34m00s.0118，Dec(J2000)=-08°34′44.547′′)位置探測到一個致密的輻射源，也就是北部中心點附近，這可能是超新星爆發(fā)或者超新星爆發(fā)遺跡.同時，Herrero-Illana等[50]基于熱輻射和非熱輻射的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在北部和西部區(qū)域很可能存在著超新星遺跡.

由此，在HCN/HCO+(4-3)比值圖中，星暴環(huán)北部和南部的強度比值較低，和HCN/HCO+(3-2)的南部區(qū)域，推測可能是由于超新星爆發(fā)使得HCO+輻射強度的增加導(dǎo)致HCN/HCO+比值的降低.

5 結(jié)論

利用NGC 1614的ALMA多條高空間分辨率CO、HCN和HCO+分子譜線歸檔數(shù)據(jù)，獲得了分子譜線積分強度圖，并采用“pixel by pixel”的方式制作積分強度比值圖.結(jié)合已有的研究，從高分辨率解析圖像的角度研究該星系不同區(qū)域的分子氣體尤其是致密分子氣體性質(zhì).從分子譜線的積分強度圖上可以看出，除了較低空間分辨率的HCN(4-3)和HCO+(4-3)積分強度圖外，在其他分子譜線積分強度圖上均發(fā)現(xiàn)了清晰的星暴環(huán)結(jié)構(gòu).分子氣體主要分布在星暴環(huán)的北部、南部和西部區(qū)域，而東部和星系中心的分子氣體含量較少.相比于12CO(1-0)的延展分布，12CO(3-2)、12CO(6-5)、HCN(3-2)、HCO+(3-2)和HCO+(4-3)等示蹤密度較高氣體的分子分布較為集中，主要分布在星暴環(huán)結(jié)構(gòu)，這表明星暴環(huán)外圍氣體密度相對較低.同樣，HCO+(4-3)/12CO(2-1)強度比值分布表明致密分子氣體主要集中于環(huán)狀結(jié)構(gòu)上.分析認為，HCN/HCO+(4-3)在星暴環(huán)東部和西部以及HCN/HCO+(3-2)在東部區(qū)域較高的強度比值，可能是由于年輕恒星形成區(qū)域中短壽命O型星的紫外線輻射導(dǎo)致的HCN輻射強度增強;HCN/HCO+(4-3)在星暴環(huán)的北部和南部以及HCN/HCO+(3-2)在南部較低的強度比值，可能與超新星爆發(fā)使得HCO+輻射強度的增強有關(guān).

致謝 感謝審稿老師對文章的寫作給出的寶貴建議.感謝編輯部的老師對論文評閱工作的辛勤付出.感謝王小龍等對文章寫作提出的寶貴建議.感謝ALMA數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù).