首次探测稀有甲醇脉泽跃迁家族：G358.93-0.03和NGC6334I中13CH3OH与CH3OH同位素脉泽的发现

《Publications of the Astronomical Society of Australia》：First detections of methanol maser lines from a rare transition family

本刊推荐：针对大质量恒星形成过程中稀有甲醇脉泽（maser）探测匮乏的问题，研究人员开展了对稀有Class II甲醇脉泽跃迁家族82→91A–的观测研究。利用澳大利亚望远镜紧凑阵列（ATCA），团队首次在G358.93-0.03中探测到13CH3OH的41.9 GHz脉泽，并在NGC6334I中确认了CH3OH的28.9 GHz脉泽。该研究为恒星形成区的物理参数约束提供了新的同位素脉泽数据，对理解大质量恒星形成机制具有重要意义。

　　

在浩瀚宇宙中，大质量恒星的形成过程始终笼罩着一层神秘面纱。这些宇宙巨人的诞生场所——高密度分子云核——内部发生着极为复杂的物理过程，包括引力坍缩、物质吸积以及剧烈的能量释放。然而，由于观测技术的限制和恒星形成区的高尘埃遮挡，天文学家难以直接窥探这些关键阶段。正是在这样的背景下，天体脉泽（maser）成为了探测恒星形成活动的"探针"。其中，甲醇脉泽（methanol maser）因其亮度高、对物理条件敏感等特点，成为研究大质量恒星形成的重要工具。

甲醇脉泽根据泵浦机制被分为两类：Class I型主要由碰撞泵浦，与外流和膨胀的HII区相关；而Class II型则由辐射泵浦，紧密关联于年轻大质量恒星周围的爆发活动。其中6.7 GHz的Class II甲醇脉泽是目前已知最强且最常被探测到的脉泽 Transition，专门与大质量年轻恒星相关联。尽管已有数十个甲醇脉泽跃迁被探测到，但8₂→9₁A^–这一稀有跃迁家族的探测仍十分有限，特别是其同位素变体¹³CH₃OH的脉泽发射更是前所未见。

2019年，天文学界迎来了一场观测盛宴：位于G358.93-0.03的6.7 GHz甲醇脉泽发生了剧烈耀发（flare）事件。这个原本保持宁静（流量密度<10 Jy）的源，在几个月内峰值强度飙升至1156 Jy，引发了全球天文台的密集观测。这次事件不仅为研究恒星形成活动提供了宝贵机会，还导致了许多稀有脉泽跃迁的首次探测。与此同时，另一个重要的恒星形成区NGC6334I自2015年开始也经历了持续的脉泽耀发活动，其毫米波连续辐射源MM1区域的脉泽活动显著增强。

正是在这样的科学背景下，由澳大利亚塔斯马尼亚大学Bradley R. Johnson领导的研究团队利用澳大利亚望远镜紧凑阵列（ATCA），对三个南部天空大质量恒星形成区（G358.93-0.03、NGC6334I和G345.01+1.79）进行了观测，重点关注稀有Class II甲醇脉泽跃迁家族8₂→9₁A^–在CH₃OH和¹³CH₃OH中的表现。这项研究最终实现了多项突破性发现，相关成果发表在《Publications of the Astronomical Society of Australia》上。

研究团队采用澳大利亚望远镜紧凑阵列（ATCA）在750C配置下进行观测，分别于2019年4月26日和30日针对28.9 GHz（CH₃OH）和41.9 GHz（¹³CH₃OH）跃迁进行数据采集。使用紧凑阵列宽带后端（CABB）的64M-32k模式，获得0.323 km/s（28.9 GHz）和0.224 km/s（41.9 GHz）的速度分辨率。通过相位校准源1714-336和流量密度校准源1934-638进行校准，数据使用MIRIAD软件包处理。针对NGC6334I中28.9 GHz数据校准困难的情况，采用基于噪声比较的幅度缩放方法进行特殊处理。

3.1 G358.93-0.03

在G358.93-0.03中，研究人员探测到28.9 GHz的CH₃OH脉泽线，峰值流量密度为10.5 Jy，速度-16.3 km/s。该谱线与Miao等人（2022）报道的结果一致，向低速端展宽，在-16 km/s处呈现主峰，在-18至-16 km/s之间存在多个小峰。

更重要的是，团队首次探测到41.9 GHz的¹³CH₃OH脉泽发射，峰值0.4 Jy，速度-17.3 km/s。该谱线向高速端展宽，暗示在-17至-15 km/s之间存在多个小分量。两条脉泽线的峰值速度相差约1 km/s，28.9 GHz线的幅度比41.9 GHz线大约26倍。考虑到观测间隔4天期间脉泽强度的快速变化，直接比较相对流量密度需谨慎。

3.2 NGC6334I

在NGC6334I中，28.9 GHz脉泽线在-10.5 km/s处被探测到，与该区域最强的Class II甲醇脉泽发射速度一致。由于该校准困难，研究人员通过比较G358.93-0.03和NGC6334I观测的RMS噪声，对信号幅度进行缩放处理，估算峰值流量密度约为6.2 Jy。

41.9 GHz跃迁则表现为从-9.6到+4.7 km/s的宽信号，峰值流量密度0.2 Jy，形状、宽度和幅度与Wu等人（2023）报道的热发射结果一致，表明该信号更可能是热发射而非脉泽。

3.3 G345.01+1.79

在G345.01+1.79中，研究人员首次在28.9 GHz和41.9 GHz频率进行观测，但在-25 km/s至-20 km/s的速度范围内未探测到明显信号，5σ上限分别为9.8 Jy（28.9 GHz）和0.04 Jy（41.9 GHz）。

讨论与结论

本研究实现了多项重要突破：在G358.93-0.03中首次探测到41.9 GHz的¹³CH₃OH脉泽，这是该跃迁作为脉泽的首次报道；在NGC6334I中首次确认28.9 GHz的CH₃OH脉泽；同时实现了对G358.93-0.03中这一甲醇跃迁家族的同位素脉泽探测。

通过亮度温度计算（T=1.77×10⁶ S_Jy/ν²_GHzd²_arcsec），G358.93-0.03中28.9 GHz线的亮度温度约4000 K，远高于热发射的典型温度（100-300 K），确认为脉泽发射；41.9 GHz线亮度温度约200 K，结合其窄线宽特征，也判断为脉泽发射。而NGC6334I中41.9 GHz线的低亮度温度（约100 K）和宽线型则支持其为热发射。

空间定位分析显示，G358.93-0.03中的两条脉泽线均位于毫米波连续辐射源MM1附近，但由于位置不确定度较大（约0.4角秒），无法精确判断是否同空间。两条脉泽线峰值速度相差1 km/s，暗示它们可能源自恒星形成区内不同物理条件的区域。这一发现与Chen等人（2020a）的结果一致，表明同位素脉泽与主要物种的脉泽可能产生于不同区域。

同位素甲醇脉泽的探测对恒星形成研究具有重要意义。通过比较同一跃迁在不同同位素中的表现，可以更精确地约束源的温度、密度和柱密度等物理参数。尽管现有模型主要针对CH₃OH，¹³CH₃OH脉泽的发现为未来建模提供了新的约束条件。

8₂→9₁A^–甲醇跃迁家族的稀有性部分源于历史观测限制——28.9 GHz恰好位于许多望远镜接收器的频率间隙中。理论模型预测该跃迁在多种条件下都具有高亮度温度，表明其可能比现有探测更为普遍。

这项研究不仅扩展了已知甲醇脉泽跃迁的表征，还为理解大质量恒星形成过程中的物理条件提供了新的观测依据。随着更多望远镜覆盖26-30 GHz频率范围，未来可能会发现更多这类稀有脉泽，进一步丰富我们对恒星形成过程的认识。