[論文レビュー] APEX-CHAMP+ high-J CO observations of low-mass young stellar objects: III. NGC 1333 IRAS 4A/4B envelope, outflow and UV heating

U. A. Yíldíz, L. E. Kristensen+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 68被引用数 56

ひとこと要約

本研究では、APEX-CHAMP+およびHerschel-HIFIを用いた高J CO線観測を通じて、NGC 1333 IRAS 4A/4B原始星系における温かいガスを特徴づけ、原始星の20弧秒以内で紫外線光子加熱と流れ出し衝撃波が、温かいガス励起にほぼ同等の寄与をしていることが明らかになった。観測データは凍結ゾーンにおけるCOの濃度低下と内側におけるCO濃度の減少を示しており、これは単なる氷の昇華を超えた粒子表面処理を示している。

ABSTRACT

NGC 1333 IRAS 4A and IRAS 4B sources are among the best studied Stage 0 low-mass protostars which are driving prominent bipolar outflows. Most studies have so far concentrated on the colder parts (T<30K) of these regions. The aim is to characterize the warmer parts of the protostellar envelope in order to quantify the feedback of the protostars on their surroundings in terms of shocks, UV heating, photodissociation and outflow dispersal. Fully sampled large scale maps of the region were obtained; APEX-CHAMP+ was used for 12CO 6-5, 13CO 6-5 and [CI] 2-1, and JCMT-HARP-B for 12CO 3-2 emissions. Complementary Herschel-HIFI and ground-based lines of CO and its isotopologs, from 1-0 upto 10-9 (Eu/k 300K), are collected at the source positions. Radiative-transfer models of the dust and lines are used to determine temperatures and masses of the outflowing and UV-heated gas and infer the CO abundance structure. Broad CO emission line profiles trace entrained shocked gas along the outflow walls, with typical temperatures of ~100K. At other positions surrounding the outflow and the protostar, the 6-5 line profiles are narrow indicating UV excitation. The narrow 13CO 6-5 data directly reveal the UV heated gas distribution for the first time. The amount of UV-heated and outflowing gas are found to be comparable from the 12CO and 13CO 6-5 maps, implying that UV photons can affect the gas as much as the outflows. Weak [CI] emission throughout the region indicates a lack of CO dissociating photons. Modeling of the C18O lines indicates the necessity of a "drop" abundance profile throughout the envelope where the CO freezes out and is reloaded back into the gas phase, thus providing quantitative evidence for the CO ice evaporation zone around the protostars. The inner abundances are less than the canonical value of CO/H_2=2.7x10^-4, indicating some processing of CO into other species on the grains.

研究の動機と目的

• 低質量原始星における温かいガス励起に寄与する紫外線光子加熱と流れ出し衝撃波の相対的寄与度を定量化すること。
• 特に凍結および再処理ゾーンを含めた原始星包層内のCO濃度構造を特徴づけること。
• 高J CO線が原始星環境における衝撃波加熱と紫外線加熱を区別する診断的価値を評価すること。
• スペクトル分解能のあるラインプロファイルのモデル化を通じて、スペクトル的に分解不能なHerschel-SPIREデータの解釈に制約を提示すること。

提案手法

• APEX-CHAMP+を用いて、12 CO J=6–5（650/850 GHz）を9弧秒解像度で4×4弧分の高解像度・完全サンプリングマップを取得した。
• UV加熱ガスおよび炭素再結合をトレースするため、13 CO J=6–5および[C I] J=2–1の小規模マップを観測した。
• JCMTのHARP-Bを用いて12 CO J=3–2マップを取得し、低Jデータを補完した。
• 流れ出し領域での深い同位体体観測（例：C18O）を実施し、光学厚さと励起状態を制約した。
• Herschel-HIFIおよび地上望遠鏡からのJ=1–0からJ=10–9までのラインを用いてCOラダー解析と回転ダイアグラムを構築した。
• ダストおよびライン放射の放射線輸送モデルを用いて、ガス温度、質量、CO濃度プロファイルを導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRAS 4A/4Bの内側包層における観測された温かいガスに、紫外線光子加熱と衝撃波励起のどちらがより大きな寄与をしているか？
• RQ2 CO濃度は原始星包層全体でどのように変化するか、特にCO凍結ゾーンおよび昇華ゾーンでどうなるか？
• RQ3 高J CO線は、原始星の流れ出しやキャビティ壁における衝撃ガスと紫外線加熱ガスをどの程度効果的にトレースするか？
• RQ4 観測されたラインプロファイルおよび励起温度は、ダスト加熱と化学的処理を含むモデルの予測とどのように一致するか？
• RQ5 これらの結果は、類似した源におけるスペクトル的に分解不能なHerschel-SPIRE COラインデータの解釈にどのような意味を持つか？

主な発見

• IRAS 4Aの20弧秒以内では、紫外線光子加熱ガスと流れ出し衝撃ガスが温かいガスの形成にほぼ同等の寄与をしており、両者の温度は約100 Kである。
• 13 CO J=6–5線は、初めてUV加熱ガスの分布を直接明らかにした。これは大スケールで非源領域の放射を支配している。
• C18O線のモデリングには、凍結ゾーンにおけるCO濃度の低下が必要であり、これはCO氷昇華ゾーンの位置と範囲を定量的に裏付ける証拠となった。
• 内側のCO濃度は、標準値2.7×10⁻⁴未満であり、これは粒子表面でCOが他の種にさらなる処理を受けていたことを示唆している。
• 12 CO J=6–5線は衝撃ガスに支配されており、励起温度は約100 Kである。一方、13 CO J=6–5線は、特に大半径領域で被動的加熱およびUV加熱ガスをトレースしている。
• スペクトル的に分解不能なHerschel-SPIREデータでは、12 COでは衝撃ガスが支配的であり、13 COではUV加熱ガスが支配的となるため、スペクトル分解能がなければライン比の解釈が制限される。