[論文レビュー] APEX observations of supernova remnants - I. Non-stationary MHD-shocks in W44

S. Anderl, A. Gusdorf+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 66被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、超新星残骸W44のW44EおよびW44F領域におけるCO遷移(3–2)から(7–6)までのAPEXのSubmillimeter観測を用い、分子雲内の非定常MHD衝撃波を分析した。大速度勾配近似を用いた放射線輸送と組み合わせたMHD衝撃モデルのグリッドフィットにより、観測された線幅放出を最もよく再現するのは、20–35 km s⁻¹の衝撃速度、10⁴ cm⁻³の衝撃前密度、100–200 μGの磁場強度であり、衝撃年齢は1,000～3,000年、1ビーム当たりの衝撃ガス質量は1–2 M☉であった。

ABSTRACT

Aims. The interaction of supernova remnants (SNRs) with molecular clouds gives rise to strong molecular emission in the far-IR and sub-mm wavelength regimes. The application of MHD shock models in the interpretation of this line emission can yield valuable information on the energetic and chemical impact of supernova remnants. Methods. New mapping observations with the APEX telescope in CO (3-2), (4-3), (6-5), (7-6) and 13CO (3-2) towards two regions in the supernova remnant W44 are presented. Integrated intensities are extracted on five different positions, corresponding to local maxima of CO emission. The integrated intensities are compared to the outputs of a grid of models, which combine an MHD shock code with a radiative transfer module based on the large velocity gradient approximation. Results. All extracted spectra show ambient and line-of-sight components as well as blue- and red-shifted wings indicating the presence of shocked gas. Basing the shock model fits only on the highest-lying transitions that unambiguously trace the shock-heated gas, we find that the observed CO line emission is compatible with non-stationary shocks and a pre-shock density of 10^4 cm-3. The ages of the modelled shocks scatter between values of \sim1000 and \sim3000 years. The shock velocities in W44F are found to lie between 20 and 25 km/s, while in W44E fast shocks (30-35 km/s) as well as slower shocks (\sim20 km/s) are compatible with the observed spectral line energy diagrams. The pre-shock magnetic field strength components perpendicular to the line of sight in both regions have values between 100 and 200 \muG. Our best-fitting models allow us to predict the full ladder of CO transitions, the shocked gas mass in one beam as well as the momentum- and energy injection.

研究の動機と目的

• 高J CO線放出を用いて、超新星残骸に衝撃を受ける分子雲内の物理的・化学的状態を調査すること。
• W44における観測されたCO線放出、特にミリ波帯域で再現可能かどうかを検証すること。
• 衝撃領域における衝撃速度、年齢、密度、磁場強度といった衝撃パラメータを制約すること。
• 衝撃から銀河間媒体への運動量およびエネルギー注入を推定すること。
• 限られた衝撃トレーサー遷移と1次元仮定による現在のモデル化の限界を評価すること。

提案手法

• APEX望遠鏡を用いて、W44の2領域（W44EおよびW44F）における12 CO (3–2)、(4–3)、(6–5)、(7–6)および13 CO (3–2)のマッピング観測を実施した。
• 2領域にわたるCO線放出の5つの局所的ピークから、統合線強度を抽出し、衝撃成分を分離した。
• 大速度勾配近似を用いた放射線輸送モジュールと組み合わせたMHD衝撃モデルのグリッドを構築し、線放出をシミュレートした。
• モデルフィットには、主に衝撃加熱ガスに最も感受性が高いとされる最高エネルギー準位のCO遷移（6–5および7–6）のみを用いた。
• スペクトル線エネルギー図と観測された線幅および非対称性との整合性に基づき、最良適合モデルを選定した。
• 1次元モデルの限界を補うために、追加の後方衝撃ガス層をモデルに追加した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 W44超新星残骸の衝撃領域における観測されたCO線放出を最もよく再現するのは、どのような物理的条件（密度、速度、磁場）か？
• RQ2 W44の衝撃は非定常MHD衝撃モデルと整合的であり、その推定年齢は何か？
• RQ3 W44EおよびW44F領域における1ビーム当たりの衝撃ガス質量、運動量、エネルギー注入量は何か？
• RQ4 W44EおよびW44F間で衝撃速度および磁場強度はどのように変化し、それらが衝撃ダイナミクスに何を示唆するか？
• RQ5 限られた衝撃トレーサー遷移の使用に起因するデグレーダシーの度合いはどの程度か？

主な発見

• W44EおよびW44Fにおける観測されたCO線放出は、1,000～3,000年程度の非定常MHD衝撃波によって最もよく説明される。
• W44EおよびW44Fの両領域において、最良適合モデルすべてで衝撃前ガス密度が10⁴ cm⁻³に制約された。
• W44Fにおける衝撃速度は20～25 km s⁻¹の範囲にあり、W44Eにおいても20～25 km s⁻¹のモデルが一致するが、30～35 km s⁻¹の高速衝撃モデルも同様に妥当である。
• 視線方向に垂直な衝撃前磁場強度は両領域で100–200 μGと推定され、W44Fでは一貫して200 μGであった。
• 1ビーム当たりの衝撃ガス質量はW44EおよびW44Fの両方で1–2 M☉と推定され、衝撃領域における顕著なエネルギー散逸を示している。
• 1ビーム当たりのエネルギー注入量は1–8 × 10⁴⁵ erg、運動量注入量は1–5 × 10⁶ M☉ cm s⁻¹と推定され、観測領域における全超新星エネルギーの一部に相当する。