银河系不同银心距的硅同位素丰度比研究及其对化学演化模型的约束

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：Silicon Isotopic Abundance Ratio along different Galactocentric Distance

本刊推荐：为约束银河系化学演化(GCE)模型，研究人员利用IRAM 30米望远镜对51个大质量恒星形成区开展硅同位素观测。首次获得迄今最大样本的28Si/29Si、28Si/30Si和29Si/30Si丰度比，发现29Si/30Si比值多数大于1且与银心距无显著相关性，而28Si/30Si呈现弱正相关趋势。该研究为恒星核合成历史提供了新的示踪剂，推动GCE模型完善。

　　

在浩瀚宇宙中，化学元素如何形成和分布一直是天体物理学研究的核心问题。银河系作为我们赖以生存的家园，其化学演化历史犹如一部宇宙编年史，记录着恒星诞生、演化和死亡的壮丽篇章。然而，科学家们至今仍未能完全解开银河系化学组成的变化规律之谜。特别是在硅同位素研究领域，由于观测样本有限和技术手段限制，关于²⁹Si和³⁰Si这两种稀有同位素的产生机制及其在银河系中的分布特征，一直存在诸多争议。

传统上，天文学家主要通过碳、氮、氧等轻元素的同位素比值来追踪银河系的化学演化过程。然而，硅元素具有独特的优势——它拥有三种稳定同位素(²⁸Si、²⁹Si、³⁰Si)，其中²⁸Si是主要同位素，主要通过α过程产生；而²⁹Si和³⁰Si则是次级同位素，主要来源于²⁵Mg和²⁶Mg在氖燃烧过程中的核合成，以及在AGB星（渐近巨星支星）的氦燃烧壳层和II型核心坍缩超新星中的生成过程。这种多元化的产生机制使得硅同位素比值成为研究恒星核合成历史的理想探针。

然而，由于硅元素具有较高的 refractory nature（难熔性），大部分硅被锁定在硅酸盐尘埃中，导致SiO分子的柱密度和谱线强度通常较弱，这为观测研究带来了巨大挑战。此前Monson等人的研究仅包含7个源，且主要集中在银心距6-10 kpc范围内，样本的代表性不足限制了人们对硅同位素分布规律的认识。

为了突破这一瓶颈，由广西大学林颖等人组成的研究团队利用IRAM 30米望远镜，对51个具有精确距离测量的大质量恒星形成区进行了系统性观测。这些观测目标均含有6.7 GHz CH₃OH脉泽，表明它们处于晚期大质量恒星形成阶段，是研究星际介质化学组成的理想实验室。该研究论文发表在《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》上，标志着硅同位素研究进入了新的阶段。

研究人员采用了多项关键技术方法：使用IRAM 30米望远镜的EMIR接收机在2毫米波段同时观测²⁸SiO、²⁹SiO和³⁰SiO的J=4-3跃迁谱线（频率分别为173688.238 MHz、171512.785 MHz和169486.533 MHz）；采用位置切换观测模式，带宽覆盖8 GHz，通道间距195 kHz；利用CLASS软件进行数据预处理和基线校正；通过直接积分法计算速度积分强度，并基于光学薄假设推导同位素丰度比。样本覆盖银心距0.2-9.8 kpc的广泛范围，确保了研究的全面性。

观测结果方面，²⁸SiO J=4-3在46个源中被检测到（检测率88%），²⁹SiO和³⁰SiO分别检测到25和24个源（检测率49%和47%）。研究人员根据检测情况将源分为四类：19个源同时检测到三条谱线（如图1a所示）；6个源检测到²⁸SiO和²⁹SiO（图1b）；5个源检测到²⁸SiO和³⁰SiO（图1c）；14个源仅检测到²⁸SiO（图1d）。值得注意的是，²⁸SiO谱线宽度明显大于其他分子谱线，这表明SiO主要形成于激波活动区域。

丰度比分析显示，²⁸Si/²⁹Si比值在25个源中范围为5.4±0.8（G009.62+00.19）至28.4±3.8（W 51 IRS2）；²⁸Si/³⁰Si在24个源中范围为11.7±2.2至46.5±4.2；²⁹Si/³⁰Si在19个源中范围为0.7±0.3至3.0±0.3，中位值为1.5±0.3。这一结果首次明确显示在银河系星际介质中，²⁹Si的丰度普遍高于³⁰Si。

银心距相关性分析得出了令人瞩目的结果。未加权线性拟合显示：²⁸Si/²⁹Si与D_GC的相关系数仅为0.13，无明显趋势；²⁸Si/³⁰Si呈现弱正相关（r=0.39）；²⁹Si/³⁰Si无明显趋势（r=0.07）。加权拟合结果则显示²⁸Si/²⁹Si有弱趋势（r=0.34），而²⁸Si/³⁰Si无趋势（r=0.13）。研究人员建议优先考虑未加权结果，因其受少数高信噪比数据点影响较小。

进一步分析发现，²⁸Si/³⁰Si与²⁸Si/²⁹Si比值之间存在正相关性（未加权r=0.42，加权r=0.59），这表明²⁹Si和³⁰Si的核合成过程存在密切联系。这一发现为理解次级同位素的产生机制提供了重要线索。

研究结论表明，基于目前最大的硅同位素样本，未发现硅同位素比值与银心距之间存在明显趋势。然而，²⁹Si/³⁰Si比值在大多数源中大于1，证明²⁹Si在银河系星际介质中比³⁰Si更丰富。²⁸Si/³⁰Si与银心距的弱正相关趋势与GCE模型预测一致，但²⁸Si/²⁹Si缺乏明显趋势则与模型预期不符。

这项研究的意义在于，它提供了迄今为止最全面的硅同位素丰度比数据集，为银河系化学演化模型提供了新的观测约束。研究结果表明，硅同位素比值特别是²⁸Si/³⁰Si，可能成为追踪恒星形成历史的有力工具，类似于CNO同位素的应用。然而，为了充分发挥硅同位素在探测恒星核合成历史方面的潜力，需要对³⁰Si和²⁹Si的产生和演化模型进行进一步改进。未来随着观测灵敏度的提高，有望更清晰地揭示硅同位素在银河系中的分布规律，最终解开恒星演化与化学元素起源的奥秘。