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HH(Herbig-Haro)天体发现及研究

. HH天体的观测特点、物理本质和科学意义

. BATC进行HH巡天的优势

1. 蛇夫座 ρ Oph 暗云区的大尺度Herbig-Haro天体巡天

2. Orion区的大尺度HH天体巡天

3. Taurus天区的大尺度HH天体巡天

4. Monoceros OB1分子云(NGC2264)的HH巡天

. 利用BATC已完成的HH天体巡天工作

. 进一步的工作计划

 

.HH天体的观测特点、物理本质和科学意义

所谓HH天体就是出现在恒星形成区的一种半星半云状的光学可见的天体。“半星半云”是因为很多HH天体在拍摄底片上呈现出像恒星的外观,但是它的星像半宽又比真正的恒星至少要大一倍,而且常常伴有云雾状的结构环绕在周围或一侧,使它们显得有些若隐若现。HH天体则呈现出多姿多彩的形态特点:有的像树的纽节一样;有的呈弓形;有的呈短棒状;有的像彗星一样有明亮的头部和弥漫的尾巴;还有的就像一小团弥散的星云。虽然HH天体本身的尺度大小不一,但由它们组成的HH天体喷流尺度可达几个秒差距(pc(Bally & Devine 1997)

  1.  一些HH天体的CCD成像图片(Bally & Devine 1997

 

HH天体的一个突出特点是它具有一些特殊的低激发能态的光谱,常见的有[SII][OI][NII]以及Hα线,而缺乏光学波段的连续谱 (实际上有些HH天体在蓝端有很弱的连续谱,这是双光子过程紫外辐射的延伸)。这说明它不同于发出连续光谱的恒星,而显现出带有发射线的气体星云的特点。研究表明,HH天体的光谱主要有两类,一类是中性原子产生的允许线和禁线,如[OI]OI[CI][NI]等,另一类是由低激发能的离子发出的允许线和禁线,如[CaII], CaII, [FeII], MgII, [SII]等,它们的强度要比普通气体星云中光致电离造成的谱线强得多(Rripurth 1991)。HH天体除了光学辐射外,还普遍具有近红外辐射(主要是2.12μm 氢分子的转动-振动跃迁谱线)。此外在许多HH天体中还观测到了强的紫外和射电辐射。紫外辐射涉及到中性氢原子的双光子过程和氢分子在Lyman 波段的荧光辐射(Schwartz 1983),射电辐射则来源于电子自由-自由跃迁产生的连续谱。

                   

                  2. HH天体的光谱(Reipurth 1989

 

典型而完整的HH天体是由许多knot密集排列或成直线排开组成的喷流结构,这种喷流结构实际上反映出了HH天体的本质:它是一种来源于年轻星的喷出物,确切地讲,是年轻星体喷出的高速气体冲入星周气体时被激发的气体团块。当高速星风从年轻星体的两极方向吹入星周气体时会形成激波,在激波过后逐渐冷却下来的区域里,在合适的温度(Te~7000K)、密度 (ne ~n×103- n×104cm-3) 条件下, 一些气体团块会激发出某些特殊的谱线,光学波段主要是一些碰撞激发线,从而形成光学可见、带有特定激发线的HH天体。目前,被广泛接受的HH天体定义是:与恒星形成区紧密成协的小规模激波激发区,通常有某些特定的光谱以区别于光致电离区(Reipurth, 1999)。

 

HH天体产生于恒星形成的早期,即年轻星的双极喷流阶段,同时大多数HH天体出现的时标很短, 因此HH天体就成为正在经历的恒星形成活动的一个直接、准确的示踪物。研究HH天体的形态、结构、谱线、运动学及至大尺度分布对于揭示从单星的形成,喷流机制,到小区域的恒星形成特点,乃至大尺度的恒星形成规律都具有重要的意义。

  

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. BATC进行HH巡天的优势

大尺度HH天体的巡天研究是当前的一大热点,由于HH天体与恒星形成活动间的直接和紧密的示踪关系,研究HH天体的大尺度分布对于了解这一区域的大范围恒星形成状态具有非常重要的意义。巡天的方法主要是用包含HH天体某几条特征谱线波长范围的窄带滤光片拍摄的图像与平移开一定波长避开特征线的中带连续谱图像作比较,在窄带发射线图像上出现而连续谱图像上不出现的即为HH天体。对相对高激发HH天体,窄带滤光片常包含Hα/[NII]λ6548/6584)谱线,对于很高激发的HH天体,[OIII] λ5007)作为窄带谱线,对多数HH天体和HH 喷流来讲,主要是低激发的,这时常用[SII]λ6717/6731)作为窄带包含的谱线。

 

紫金山天文台恒星形成小组与国家天文台BATC巡天小组合作,利用兴隆站60/90cm施密特望远镜的大视场优势,于1998年开始了银道面附近重要恒星形成区HH天体大尺度覆盖性巡天工作。由于该望远镜视场可达58′×58′,而国际上同类项目的视场不足其1/4,加之相关快速处理软件得到成功开发,该项目的工作效率居于国际领先水平。随着这一项目的深入进行进而完成,将对银道面附近恒星形成活动的研究具有重要的意义。

 

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. 利用BATC已完成的HH天体巡天工作

1998年至今,利用兴隆站60/90cm施密特望远镜对银道面附近重要恒星形成区HH天体大尺度覆盖性巡天工作已基本完成。其中一些工作已发表,其它的工作的初稿也已完成。下面将对这些工作进行简单的介绍。

1. 蛇夫座 ρ Oph 暗云区的大尺度Herbig-Haro天体巡天

ρ Oph暗云区是离我们最近的恒星形成区之一,距太阳系约125pc (de Geus et al. 1989)。在哥伦比亚CO巡天图上(complex 3 in de Geus et al. 1990),这个区域的暗云分布呈现出由西北部较稠密而向东南银心方向逐渐散开呈纤维状延伸的特点。ρ Oph暗云区常被作为研究小质量恒星形成的样板区域,在它最为稠密的云核部分L1688,恒星形成活动非常活跃,已经有超过100颗年轻星体 (Comerón et al. 1993, Strom et al. 1995)7个分子外流 (Beichman et al. 1986, Wu et al. 1992, Tamura etal. 1990, André et al. 1990, Bally & Lada 1983, Loren et al. 1989b,Terebey et al. 1989) 4个水脉泽(Terebey et al. 1992, Wilking et al. 1994, Claussen et al. 1996)在云核中被发现。对这样一个难得的近距离且活跃的恒星形成区,人们很早就开始利用各种波段的探测手段对其进行观测,主要的巡天观测有:Hα发射线星巡测 (Wilking et al. 1987) 2μm JHK波段巡天 (Greene & Young 1992, Comeón et al. 1993, Strom et al. 1995, and Barsony et al. 1997) 1.3mm巡天(André et al. 1994),在射电波段有VLA  (Leous et al. 1991, André et al. 1987, Stine et al. 1988) VLBI (André et al. 1992) 的巡测。

 

我们对该区域的观测于2000年5月31日至7月1日进行。对每一个目标天区[SII]滤光片和连续谱各拍摄3幅图像,每一幅[SII]发射线曝光20分钟,单幅连续谱([BATC10]片)曝光5分钟,因此对每一个目标天区,发射线与连续谱的的总曝光量分别为60分钟和15分钟。总共拍摄了12个目标天区,每个天区大小即为CCD视场58´×58´,天区间边缘重叠7.5´,最终拼接成一个约11平方度以ρ Oph核心区为中心的大区域,赤经范围从R.A.(J2000)=16h22m 16h35.5m 赤纬从 DEC.(J2000)=-23°17´-25°56´

 

这次对蛇夫座ρ Oph暗云区的大尺度HH天体巡天观测不仅重现了核心区内已知的10HH天体,而且在核外区域又新发现了7HH天体,获得编号为HH548HH549A-CHH550HH551HH552HH553A-E,以及HH554。新发现的HH天体的位置及形态特点列于表一。HH天体位置的确定是建立在Guide Star Catalog (Lasker et al.1990) 基础之上的,其位置精度可以达到0.4角秒,与此导星表相当水平(Jiang 1989)。

 

                表一. ρ Oph暗云区新发现的HH天体

                                                                                 

  名称     αJ2000)  δJ2000)           形态                            

  HH 548    16:25:18.5   -23:39:03            knot

  HH 549A   16:25:30.2   -23:36:00            bow shaped object

  HH 549B   16:25:39.3   -23:34:56            faint knot

  HH 549C   16:25:34.1   -23:34:29            knot

  HH 550    16:27:59.3   -25:27:54            bright knot with long tail

  HH 551    16:28:17.7   -25:32:37            bright knot with fuzzy nebula

  HH 552    16:28:49.9   -24:57:32            fuzzy bar shaped object

  HH 553A   16:31:39.9   -24:28:15            nebula

  HH 553B   16:31:41.1   -24:29:04            faint nebula

  HH 553C   16:31:37.1   -24:29:52            faint knot

  HH 553D   16:31:36.3   -24:30:05            faint knot

  HH 553E   16:31:37.3   -24:29:38            faint knot

         HH 554    16:31:42.7   -24:31:07            fuzzy nebula with bright core

                                                                                                

   新发现的HH天体示于图3,它们在ρ Oph暗云区的分布示于图4,其背景的等值线图是哥伦比亚大学CO巡天得到在此天区的CO分布 (de Geus et al. 1990) 5显示的是本区域内的年轻星(Herbig and Bell 1988)和Hα发射线星 (Wilking et al. 1987) 的分布情况。

3  ρ Oph暗云区新发现的HH天体 

 

     4  HH天体在ρ Oph暗云区的分布

 

实心方块为此次巡天新发现的HH天体,空心方块为本区已知的HH天体,十字代表分子外流(Wu et al. 1996, 实线为CO发射等值图,等值线值为W(CO)=20, 55, 112.5K kms-1de Gues et al.1990虚线显示本次观测区域。

 

        5  年轻星体(Herbig & Bell 1988)、Hα发射线星(Wilking et al. 1987) ρ Oph暗云区分布,亮星云位置取自Lynds (1965)亮云表。等值线为CO发射等值图, 等值线值为W(CO)=20, 55, 112.5K kms-1de Gues et al. 1990)。

 

      从图4、图5大致可以看出,新发现的HH天体较为集中地出现在三个区域:ρ Oph星附近地区,暗云中另一个稠密云核L1689N区,以及核心区以南(赤道坐标系)一度左右已离开CO分子云边界的一个区域。以下我们将对这些新发现的HH天体逐一进行讨论。(注:图3为观测结果,采用的是赤道坐标系,图4、图5由于以哥伦比亚大学CO巡天资料为背景,采用的是银道坐标系。)

 

摘自Wu. et al. 2002, AJ 123, 1986.                     

2. Orion区的大尺度HH天体巡天

猎户(Orion)是最活跃的邻近恒星形成区之一,这里过去发生过恒星形成,现在正经历着恒星形成,未来也会有恒星形成。Orion包括两个GMC,一个位于猎户北部,另一个位于猎户南部的猎户大星云后面。它们的质量都约是105 M。猎户区的距离估计在400―500 pc,一般用450 pc。猎户恒星形成区由几部分组成:从年龄为12×106年的最老的Orion OB1星协,到年龄为1×106年的最年轻的子群―猎户大星云中的四边形团(Trapezium cluster),以及更年轻的原恒星(如猎户星云后OMC-1BN-KL区域的大质量原恒星Irc2-I)。Orion是恒星形成观测的目标区域,它位于银河系的外围区域和银盘下方10°— 14°的位置,在前景和背景都没有其他恒星形成区的混淆。

 

Orion A巨分子云既是大质量恒星形成的区域,又是小质量恒星形成的有效区(Wouterloot & Brand 1992)。13COBally et al. 1987)的成图显示,Orion A的北部compressed, dynamically relaxed,支持大质量恒星形成;Orion A的南部diffuse, exhibits chaotic spatial and velocity structure,支持中小质量恒星形成。这样的结构可能是由于Ori OB1星协的形成和演化所致。

 

自从哥伦比亚大学1.2m望远镜的12CO成图发现Orion AOrion B两个明显的巨分子云以来,大量观测聚集到了猎户中的分子气体。光薄的13CO观测揭示了密度为103 cm-3的团块和纤维结构,这些纤维结构的典型长度是几个pc,宽度是1-2 pc,质量是几百M,速度弥散是1-3 km/s。最耀眼的是云北部明亮而狭长的、通常称之为积分形状的纤维结构(“integral shaped filament”),它在猎户大星云HII区的后面,南北方向延展~ 1°(~ 8 pc)。 CSTatematsu et al. 1998ApJS..118..517)。以下概括猎户南部区域的中小质量恒星形成,而不管BN-KLOrion Nebula、和Trapezium clusterOrion A由北至南:1. OMC-2/3mm, sub-mm, cm波段的观测;OMC-3中的源比OMC-2的年轻;NIROMC-2核心发现一个小的红外团;Yu 2000博士论文,发现成打的准直流)。2. OMC-1/BN-KL(luminous IR sources, OMC-1 outflow)OMC-1S outflow(8×103 LFIR/mm source)3. Orion Nebula/OMC-4(不活跃)。4. L1641区包括:L1641NHH 34V380 Ori/HH 1-3L1641C(HH 43/38/FU Or IC 430=IRAS05358-0704/IRAS05357-0701/IRAS05355-0709CHaro 4-255/光学喷流/Haro 4-255FIR=IRAS05369-0728/分子外流、e50/L1641-S/MB40/IRAS05380-0728L1641-S3/MB41/IRAS05375-0731)

 

L1641区是发现HH天体最早的地方,早在二十世纪五十年代,Herbig1951)和Haro1952)就在这个区域的中间发现最早的3HH天体。八十年代,随着激波理论成功地应用于解释HH天体的光谱(Schwartz 1983)。随着分子外流的发现,掀起了一轮研究HH天体的狂潮。Reipurth1985)通过深曝光底片,在L1641区发现34HH天体的候选者,之后其中的大部分得到了证认(Reipurth, 1989, 1988)。Ogura等(198719901991)也在其中发现了不少HH天体。

 

1999年开始,我们使用国家天文台60/90cm 施密特望远镜对猎户巨分子云区,特别是猎户南部L1641暗云区域,进行[BATC10]中带滤光片和[SII] 窄带滤光片的CCD成像的巡天观测。通过这样的无偏观测搜巡HH天体,提供整个猎户恒星形成的完备样本的HH天体图象,并且描述和分析这一区域的恒星形成特征。了解银河系内的猎户恒星形成区HH发射的大尺度结构和恒星形成的统计分布规律。

 

我们用了19992000两年的观测季节,共观测了38个区域,覆盖了猎户区(α:5h6h,δ:-11°― 6°范围内)的所有已知HH天体(图6)。完成了对Orion A巨分子云较完备的观测,而对Orion B巨分子云还只是HH天体的覆盖观测。

 

Haro 4-255附近新发现两个Herbig-Haro天体:在Haro 4-255附近区域独立发现了两个HH天体—HH 469HH 470,并证认出HH 469的激发源是Haro 4-255 FIR,而HH 470是由 Haro 4-255激发的。由此推断出Haro 4-255附近有两个(Haro 4-255Haro 4-255 FIR)或三个(还包括VLA2)年轻星正在形成,并且在从南到北的方向形成一个越来越年轻的恒星形成序列。其他未编号的HH天体候选体见下表。

6 Orion天区的观测范围

表二:Orion天区新发现的HH候选体

                                                                                       

  名称     αJ2000)   δJ2000)           形态                                  

  Can10    05:35:41.83   -04:32:32.44          knot

  Can35    05:32:11.68   -06:26:58.41          nebula

  Can36A   05:32:39.68   -06:25:07.94          knot

  Can36B    05:32:40.52   -06:24:54.00         faint knot

  Can46A    05:44:15.41   -02:37:14.83         knot

  Can46B    05:44:15.17   -02:36:11.41         patch

  Can47A    05:40:19.67   -02:47:43.21         knot

  Can47B    05:40:21.53   -02:47:51.55         knot

  Can47C    05:40:21.71   -02:48:02.56         knot

  Can47D    05:40:24.37   -02:48:27.75         knot

  Can48/47E 05:40:30.81   -02:51:53.82         knot with faint nebula

  Can51A    05:54:09.81   +02:37:07.73         knot east to HH111/113

         Can51B    05:54:11.04   +02:37:16.44         knot

     Can55     05:54:45.43   +01:53:15.81         knot

     Can56     05:40:59.13   -07:08:29.76         knot

                                                                                               

 


7a: Orion天区新发现的HH候选体(图中的数字就是上表中的编号,上面为北面,左边为东面)

7Orion天区新发现的HH候选体(图中的数字就是上表中的编号,上面为北面,左边为东面)

 

这次巡天覆盖了L1641这一个恒星形成区以及Orion区域的北面部分。我们从图中可以看到,这些新发现的HH天体一般都在一些已知HH天体的周围,同时我们可看到这些HH天体只是出现在某些特定的区域。通过和Wiramihardja rt al (Wiramihardja rt al 1991)做的Hα发射星相比较,我们发现在Orion A巨分子云中,HH天体的分布和Hα发射星的分布在大尺度上是一致的,它们都分布在赤经(B19505h30m5h40m和赤纬(B1950-7º-5º之间。然而我们也可以看到每一个HH天体的位置并不是和Hα发射星完全重合的。

 

摘自 Wang et al. 准备向AJ提交的论文中。

3. Taurus天区的大尺度HH天体巡天

Taurus(金牛座)天区是离我们比较近的(距离约为140pc)的一个典型的小质量恒星形成区。在该区域中通过红外和光学发现了超过80个的T Tauri星(Cohen & Kuhi 1979; Herbig & Bell 1988; Strom et al. 1989; Kenyon et al. 1990)。同时通过CO的观测也发现了和远红外源成协的分子外向流(Heyer et al. 1987b; Myers et al. 1988; Fukui 1989; Terebey et al. 1989; Moriarty-Schieven et al. 1992; Fukui et al. 1993)。这些都说明该区域的恒星形成正在进行中。

 

Taurus区域中已经发现了32HH天体,其中的巡天工作包括Alten et al. 1997年的工作,发现了HH360-362Gomez et al. 1997Taurus中深嵌源的光学和近红外巡天,发现了HH390-395Devine et. al. 1999Haro6-10附近的HH天体研究,发现了HH410-414Aspin & Reipurth 2000年对GK Tau区域的研究,发现了HH466468。但是对于Taurus区域还没有超过1º× 1º的巡天工作。

 

2001年12月底和2002年1月份,我们利用国家天文台60/90cm 施密特望远镜对Taurus区域进行全面的HH巡天,尺度达到了30个平方度,基本覆盖了整个Taurus天区。对每一个目标天区[SII]滤光片和连续谱各拍摄3幅图像,每一幅[SII]发射线曝光20分钟,单幅连续谱([BATC10]片)曝光5分钟,因此对每一个目标天区,发射线与连续谱的的总曝光量分别为60分钟和15分钟。总共拍摄了30个目标天区,每个天区大小即为CCD视场58´×58´在这次巡天中,我们共新发现了10个HH候选体,重现了该区域中的18个已知的HH天体。

 

表三:Taurus天区新发现的HH候选体

                                                                 

  名称     αJ2000)   δJ2000)           形态                       

can01A   04:12:16.44   28:50:15.0           Knot

can01B   04:12:17.99   28:49:31.7           Faint Knot

can02A   04:26:35.65   25:57:54.7           Faint Knot

can02B   04:26:34.32   25:57:39.7           Faint Knot

can02C   04:26:34.10   25:57:40.3           Faint Knot

can02D   04:26:34.11   25:57:23.2           Faint Nebula

can03    04:28:45.77   23:04:15.5           Knot

can04A   04:32:38.15   26:07:28.3           Knot

can04B   04:32:39.16   26:07:06.0           Faint Nebula

can05A   04:32:39.38   24:21:25.8           HH319

can05B   04:32:38.81   24:20:55.4           Knot

can05C   04:32:36.63   24:20:29.8           Faint Knot

can05D   04:32:31.75   24:20:03.1           Faint Knot

can06    04:35:01.89   23:38:58.4           Nebula

can07    04:35:31.80   22:53:32.6           Bright Knot

can08A   04:38:45.09   25:18:14.3           Knot

can08B   04:38:46.21   25:18:04.8           Bright Knot

can08C   04:38:50.60   25:18:17.4           Knot

can08D   04:38:52.49   25:18:17.3           Nebula

can09    04:39:06.72   26:20:29.9           Nebula

can10    04:39:11.44   25:27:19.0           Fuzzy Nebula

                                                                                                                             

   

         

        

 

                                    

                                    

                                 

                          8 Taurus天区新发现的HH候选体的[SII](B)

 

9Taurus天区新发现的HH候选体和观测到的已知的HH天体以及分子外向流的位置关系图。实线所包围的部分为观测的区域

 

通过和Taurus区域的13CO J=1-0的成图(Mizuno et. Al. 1995)相比较,可以看到这些HH天体(新发现的和已知的)都包括在13CO J=1-0的成图范围内。从上图中也可以看到,在Taurus区域中的HH天体分布具有一定的成团性而且和分子外向流的成协性非常的好。我们新发现的HH天体候选体基本都在一致的HH天体的附近。

 

摘自 Sun et al. 准备向AJ提交的论文中。

4. 对Monoceros OB1分子云(NGC2264)的HH巡天

Monoceros OB1分子云是一个活跃的恒星形成区,它距离我们约800pcWalker 1956)。对这个区域人们已经有了比较多的研究:Herbig1954年的时候就在该区域发现了相当多的Hα发射星;在该区域中还发现了四组HH天体(Adams et al. 1979; Walsh et al. 1992)以及5CO分子外向流(Margulis & Lada 1986; Margulis et al. 1988;通过对IRAS的四个波段的研究,Margulis et al.1989)证认出来30个离散的IRAS源,其中的18IRAS源是属于Class I型的;Ward-Thompson et al. (2000)通过亚毫米波和毫米波的观测,在该区域中发现了一团毫米波源,其中有5个毫米波源;对该区域进行的近红外H2发射线的成像研究在NGC2264 IRS1区域发现了4个(可能是5个)高准直性的jet

 

为了更好的研究该区域的恒星形成和外向流的性质,我们对该区域进行了全面的HH巡天工作。

 

[SII][BATC10]的观测是利用北京天文台60/90cm 施密特望远镜,分别在1996219日和21日以及199737-8日进行了。对HH772A575B575C1的低色散光谱观测是在1999125-9日利用国家天文台的2.16米的进行的。近红外的观测是利用Okayama天文台的1.88米望远镜,在19991119-20日进行了的。

 

在我们的[SII]巡天中,重现了该区域中所有已知的HH天体,但是在Mon B1分子云没有发现新的HH天体。在Mon B1分子云的北面,我们发现了2个新的HH天体:HH572HH575

10:在Mon B1分子云的北面新发现的HH天体

 

 

 

 

 

11:新发现的HH天体的[SII]图和[BATC10]图的比较

 

     摘自Wang et al.,已被AJ接收,刊出于20032月份。

 

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. 进一步的工作计划

对银河系附近的恒星形成区继续进行HH天体的搜寻。银河系附近的恒星形成区主要有以下这些:

 

           表四:银河系附近的恒星形成区

                                                        

    名称                             距离(pc)              

  Tau                              140

        Tau-Aur                       160

        Ori                               450

        NGC 2264                    800

        NGC 7000/IC 5070       700

        Oph                             125

        NGC 2068                        

        Cep IV                         845

        IC 466                          

        NGC 1333                    500

                                                         

我们已完成了对其中一些恒星形成区的HH天体巡天(Oph、Orion、Taurus和NGC 2264),下面需要对其它的恒星形成区进行HH天体巡天,以更好的了解银道面附近的恒星形成活动,可用足够的样本进行统计分析。

 

我们可以利用通过巡天得到的HH天体资料,在结合其它的资料(比如2MASS的资料,分子外向流的资料,Hα发射星的资料等等),来分析HH天体和原恒星之间的关系。这些关系包括HH天体在统计上一般出现在距离原恒星多远的距离尺度上;单位元中HH天体的个数和原恒星的个数之间是否存在一定的统计关系,存在的话,那是什么样的关系(即HH诞生率的问题)。这些关系的得到可以让我们对恒星形成活动有更深刻的了解。上面提到的统计分析,在Taurus天区的巡天结果中已经进行了,并且得到一些结果。随着巡天工作的深入进行,我们可以不仅可以得到各个不同天区的统计结果,还可以得到整个银河系附近恒星形成区总的统计结果。到那时候一定可以推进恒星形成的研究工作。

 

 

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