1、第6 4 卷第4 期2023年7 月doi:10.15940/ki.0001-5245.2023.04.003天文学报ACTA ASTRONOMICA SINICAVol.64 No.4Jul.,2023NGC3603星团中的大质量逃逸双星李鑫1,2,3孙玮1+纪丽1,2,3(1中国科学院紫金山天文台南京2 10 0 2 3)(2中国科学技术大学天文与空间科学学院合肥2 3 0 0 2 6)(3中国科学院暗物质与空间天文重点实验室南京2 10 0 2 3)摘要非团环境中的大质量恒星以及大质量双星的起源是理解大质量恒星形成和演化的关键问题之一，年轻大质量星团内的动力学交会过程是产生大质量逃逸星的
2、重要途径之一选取了银河系内年轻大质量星团NGC3603外围的两个碰撞星风系统候选体MTT68A和MTT71作为研究对象，通过分析ChandraX射线观测以及Gaia第2 批数据发布(DR2)中的天体测量结果，研究它们作为相互作用的大质量双星系统的起源.X射线数据的分析表明，它们的X射线能谱中存在FeXXV发射线成分；相较于普通O型星，以双温等离子体模型拟合得到偏高的高温成分温度(2.0 keV)，并且X射线光度与热光度的比值也较高(10-5.8)以上能谱特征进一步佐证了它们是碰撞星风系统的解释.根据GaiaDR2数据库中的自行信息，MTT71有着与NGC3603整体相近的自行值，表明它很可能是
3、与星团相伴形成而相对NGC3603整体，MTT68A存在4.1masyr-1的相对自行，且其反方向指向星团中心附近.这一自行结果表明MTT68A很可能是一个从星团核心区域抛出的大质量双星系统，根据MTT68A到星团中心的投影距离和相对自行大小估算这一抛射过程大概发生在2 0 kyr前.可能的动力学机制为三体或四体相互作用，在星团另外一侧搜寻具有反向相对自行的大质量恒星将有助于验证这一推断.关键词恒星：大质量，恒星：星风与外流，恒星：运动学与动力学，恒星：个别：MTT68，MT T 7 1，自行中图分类号：P144；文献标识码：A1引言恒星尤其是大质量恒星倾向于成团形成 1.观测到的非团环境中的
4、大质量恒星很可能产生自星团演化早期的抛射过程 2-3 ，亦即大质量恒星不会孤立地形成，可能的抛射机制有双星系统中超新星爆发 4-5 以及致密星团内恒星的三体或四体相互作用 6-9 .而相当一部分大质量场星和逃逸星是双星系统 10 ，其中约4 0%主序0 型星存在与伴星的相互作用过程 11,这影响甚至改变大质量恒星自身的演化.因此，探寻和确定非团环境中的大质量双星系统的起源不仅是对大质量恒星形成理论的验证和限制，也是研究大质量双星系统相互作用过程乃至2022-04-11收到原稿，2 0 2 2-0 5-17 收到修改稿后续演化的基础。此前受限于缺乏高精度的自行测量，大质量恒星抛射过程的研究仅能通
5、过间接的方式进行，例如寻找与高速星相伴的弓形激波 12 ，然而只有在恒星速度超过当地声速的时候才有可能产生弓形激波.随着Gaia卫星(以下简称Gaia)高精度天体测量数据的发布 13 ，年轻大质量恒星从星团中抛出过程的研究变得更为直接 14-15 Gaia亚毫角秒的天体测量精度使得我们可以获得10 kpc范围内大质量恒星的精度高于3 kms-1的自行数据，从而有效地寻找大质量逃逸恒星.此外，处于密近双星系统中的两颗大质量恒星40-164卷可以构成碰撞星风系统.来自两颗恒星的高速星风发生碰撞形成激波，产生明亮X射线辐射 16 。因此对它们X射线光变和能谱特征的研究能够帮助我们证认碰撞星风系统的存
6、在.为了研究年轻大质量星团中双星的抛射，我们将X射线观测与高精度自行测量相结合，对NGC3603星团外围的两个碰撞星风系统候选体MTT68和MTT71进行研究.NGC3603位于人马座外缘，距离太阳7.6 kpcl17，是银河系中少见的致密(星团核区半径rcore=4.8或者0.18 pcl18)年轻大质量星团(年龄2 Myr171).Moffat等人在NGC3603中探测到了大量的X射线点源 19 ，其中MTT68和MTT71因其偏高的X射线光度与热光度的比值被认为可能是碰撞星风系统.MTT68和MTT71位于NGC3603外围(分别距离星团中心8 5 和10 6 )，光谱型分别为0 2 I
7、f*20和O4I20。H u e n e mo e r d e r 等(以下简称H19)21利用Chandra X射线天文台(以下简称Chandra)高分辨率光谱观测得到了两个目标更为详细的X射线时变和能谱分析结果，同样认为它们可能是碰撞星风系统，不过受限于观测时长(曝光时间4 7 ks),他们并未获得确定性结论此外，Roman-Lopes22通过哈勃太空望远镜(以下简称HST）F6 56 N波段图像确认MTT68由A和B两颗大质量恒星组成，他们还根据近红外和光学光谱中较宽的Pa、NI I I入2 1150 和NIV入4 0 58 发射线，推测MTT68A也是一个双星系统 2 0 ,本文拟通过
8、分析Chandra的X射线成图光谱数据，进一步研究MTT68A和MTT71双星系统的性质，并且通过分析Gaia第2 批发布数据(DR2)中的天体测量结果研究它们的起源本文的结构如下：第2 节介绍本文用到的MTT68和MTT71的观测数据与处理过程，第3 节介绍MTT68和MTT71的X射线能谱分析，并利用GaiaDR2数据对两个目标天体的运动学特征进行分析，第4 节对它们X射线辐射机制以及运动学来源展开讨论，第5节陈述本文的主要结论.2观测与数据处理我们使用了Chandra以NGC3603星团为目标天文学报的5次观测，各次观测的档案编号、所用终端设备(均为先进CCD成像光谱仪-成像阵列，ACI
9、S-I)、曝光时间、观测开始时间以及观测项目首席科学家信息见表1.我们按照标准流程使用CIAO软件(版本号：4.12)和校准文件数据库(版本号：4.9.3)统一处理I级事件文件并重新生成II级事件文件移除光子计数速率异常的时段后，累积曝光时长为493 ks.表1Chandra对NGC3603星团的X射线观测信息Table 1 Chandras X-ray observation log of theNGC 3603 clusterExposureObsIDa Instrumenttime/ksStart date00633ACIS-I12328ACIS-I12329ACIS-I12330ACI
10、S-I13162ACIS-Ia The ID of each observation in the Chandra dataarchive.b The last name of the principal investigator of individ-ual observation.同时，我们借助Hubble遗珍数据库(HubbleLegacyArchive)中NGC3603的F656N窄带滤光片下的图像判断MTT68的X射线辐射来源.在HST的观测中，X射线点源MTT68被分辨为一个由MTT-68A和MTT68B构成的视双星系统，并且两星相距0.3 8 2 2 ，接近Chandra的极限分
11、辨率为了判定MTT68的X射线辐射主要来自MTT68A还是MTT68B，我们以HST/F656N图像为基准，通过选取并比对NGC3603星团外围孤立的5个光学与X射线对应体在两个波段图像中的位置，校正了Chandra图像的坐标经过坐标校正后,MTT68的ChandraX射线辐射中心与MTT68A的F656N光学辐射中心的相对位置见图1我们发现MTT68的X射线辐射中心更接近MTT68A(偏差0.0 4 -0.0 7 ，与所得坐标的不确定度相当)，而与MTT68B相距甚远(偏差0.3 4 )因此我们认4期Pi.nameb46.782000-05-01164.002010-10-07144.972
12、010-10-1585.912010-10-1850.982010-10-23CorcoranTownsleyTownsleyTownsleyTownsley40-264卷为MTT68系统的X射线辐射主要来自MTT68A，亦即MTT68的X射线辐射主要表示了MTT68A的性质MTT68A0063312328:1232912330131620.1李鑫等：NGC3603星团中的大质量逃逸双星MTT68B4期纬s、赤经方向自行和赤纬方向自行s，查询结果见表2 表2 的最后一列是MTT68A相对于NGC3603的切向速度大小V2D（详见3.3 节)我们查找了以MTT68A和MTT71在HST/F656
13、N图像中的坐标为中心，5 为半径的范围内的天体坐标与自行数据，并将GaiaDR2中J2015.5历元的坐标转换至J2000历元后，通过对比周围天体的坐标，进一步更新了HST/F656N图像和X射线图像的坐标系统.经过坐标校正后，我们发现GaiaDR2中所列天体的坐标更接近MTT68A，并且相应坐标的误差远远小于MTT68A和MTT68B的距离(0.3 8 )，因此我们认为相应的自行信息反映的是MTT68A的运动.图1经过坐标改正后MTT68的ChandraX射线辐射中心与MTT68A的HST/F656N光学辐射中心的位置关系图，其中不同颜色的叉丝中心表示MTT68在各次Chandra观测的X射
14、线中心(各次观测的档案编号如左上方数字所示)，叉丝长短表示位置不确定度.Fig.1 The corrected coordinates of the Chandra X-rayradiation centroid overlaid on the HST/F656N opticalimage,where the center of each cross represents the X-raycentroid of MTT68 in each Chandra observation,whoselength represents the position uncertainty,and theob
15、servational ID is labeled at the top-left corner.在剔除目标点源落于CCD狭缝中的观测数据后，我们分别选择4 次观测(MTT68：0 0 6 3 3、12329、12 3 3 0、13 16 2；MT T 7 1:12 3 2 8、12 3 2 9、12330、13 16 2)开展后续的时变与能谱的分析，选取MTT68、MT T 7 1的源区域与背景区域如图2 所示.此外，我们在Gaia DR2的星表中查找了MTT-68A和MTT71的信息，包括天体编号、赤经、赤MTT71QQ图2 Chandra/ACIS-I在0.5-8.0 keV能段光子计数
16、图，其中圆圈与扇形区域为选取的MTT68和MTT71的源和背景区域，椭圆表示探测Fig.2 Photon counting map of Chandra/ACIS-I in the0.5-8.0 keV energy band,in which the circles and fan-shapedareas are the selected source and background areas ofMTT68 and MTT71,and the ellipses represent the detectedpoint sources that need to be deducted.MTT6830到的需要扣除的点源.表2 GaiaDR2中MTT68A和MTT71的坐标和绝对自行信息Table 2 Coordinates and absolute proper motions of MTT68A and MTT71 from the Gaia DR2catalogueU2DStarMTT68A5337418466518666624MTT715337418157281054336Sour
