[論文レビュー] A JWST survey of the Trapezium Cluster & inner Orion Nebula. I. Observations & overview

M. J. McCaughrean, Stuart Pearson|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2023

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のNIRCam機器を用いて、トレパジウム星団およびオリオン星雲内部の高解像度近赤外線サーベイを実施した。1.25 × 0.85 pcの領域を1–5 µmの12フィルタでカバーし、回折限界解像度（0.063 arcsec、約25 au）を達成した。主な発見として、0.6 M_Jupにまで及ぶ自由浮遊惑星質量候補が数打に及ぶことが判明し、その多くが広い連星系に属していた。また、F115Wフィルタでのみ観測される謎の「ダーク吸収体」が確認され、BN-KLの噴出流および原始惑星系円盤の高精細画像が得られた。

ABSTRACT

We present a near-IR survey of the Trapezium Cluster and inner Orion Nebula using the NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope. The survey with the NIRCam instrument covers 10.9 x 7.5 arcminutes (~1.25 x 0.85 pc) in twelve wide-, medium-, and narrow-band filters from 1-5 microns and is diffraction-limited at all wavelengths, providing a maximum spatial resolution of 0.063 arcsec at 2 microns, corresponding to ~25 au at Orion. The suite of filters chosen was designed to address a number of scientific questions including the form of the extreme low-mass end of the IMF into the planetary-mass range to 1 Jupiter mass and below; the nature of ionised and non-ionised circumstellar disks and associated proplyds in the near-IR with a similar resolution to prior HST studies; to examine the large fragmented outflow from the embedded BN-KL region at very high resolution and fidelity; and to search for new jets and outflows from young stars in the Trapezium Cluster and the Orion Molecular Cloud 1 behind. In this paper, we present a description of the design of the observational programme, explaining the rationale for the filter set chosen and the telescope and detector modes used to make the survey; the reduction of the data using the JWST pipeline and other tools; the creation of large colour mosaics covering the region; and an overview of the discoveries made in the colour images and in the individual filter mosaics. Highlights include the discovery of large numbers of free-floating planetary-mass candidates as low as 0.6 Jupiter masses, a significant fraction of which are in wide binaries; new emission phenomena associated with the explosive outflow from the BN-KL region; and a mysterious "dark absorber" associated with a number of disparate features in the region, but which is seen exclusively in the F115W filter. Further papers will examine those discoveries and others in more detail.

研究の動機と目的

• JWSTのNIRCamを用いて、星形成および惑星形成を研究するため、トレパジウム星団およびオリオン星雲内部を、類稀な近赤外線空間解像度でマッピングすること。
• 高感度・広視野撮影を用いて、惑星質量（≤1 M_Jup）までの初期質量関数を解明すること。
• ハッブル望遠鏡に匹敵する解像度で、イオン化および非イオン化の原始惑星系円盤およびプロプライトを解像すること。
• 初めて、回折限界解像度でBN-KL領域の複雑で断片的な噴出流を画像化すること。
• トレパジウム星団およびOMC-1領域の若い星から新たに検出されていなかったジェットや噴出流を特定すること。

提案手法

• 1–5 µmの12フィルタを用いて、JWSTのNIRCam機器による広視野近赤外線サーベイを実施した。
• 2 µmにおける回折限界解像度0.063 arcsecは、オリオン距離で約25 auに相当する。
• データの低減およびキャリブレーションに、JWSTパイプラインに加えて追加ツールを用いた。
• 10.9 × 7.5 arcminuteの領域をカバーする、大規模なマルチフィルタカラー・モザイクを作成した。
• 微弱で冷たく、深く埋もれた天体を特定するために、光度および形態的分析を実施した。
• 源検出および光度測定には、PhotutilsおよびIRAFを用いて源抽出およびフラックス測定を実行した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トレパジウム星団における低質量および惑星質量天体（≤1 M_Jup）の分布と質量関数はどのようなものか？
• RQ2 高角解像度での赤外線における原始惑星系円盤およびプロプライトの外観はどのようなものか？また、それらは円盤進化に関する何を明らかにするか？
• RQ3 25 au解像度で、BN-KL領域からの爆発的噴出流の詳細な構造と運動学的特性は何か？
• RQ4 トレパジウム星団およびOMC-1領域の若い星から、以前に検出されていなかったジェットや噴出流は存在するか？
• RQ5 F115Wフィルタでのみ観測される謎の「ダークアブソーバー」特徴は、何によって引き起こされるのか？

主な発見

• 自由浮遊惑星質量候補が数打に及んで同定され、質量は0.6 M_Jupまで達する。その多くは広い連星系に属していた。
• F115Wフィルタは、複数の異なる構造と関連する以前に未知の「ダークアブソーバー」特徴を明らかにした。この特徴は、このバンドでのみ観測可能であった。
• 高精細画像により、BN-KL領域からの複雑で断片的な噴出流が25 au解像度で類稀な明瞭さで解像された。
• BN-KL噴出流と関連して多数の新しい発光現象が検出され、継続的なエネルギー的活動を示していることが示された。
• 赤外線での解像度がハッブル望遠鏡に匹敵するため、原始惑星系円盤およびプロプライトの存在が確認され、詳細な形態的分析が可能になった。
• このデータセットは、将来的な星形成および惑星形成研究の基盤資産を提供しており、MASTを通じてすべてのデータが公開されている。