[論文レビュー] ATLASGAL-selected massive clumps in the inner Galaxy: VI. Kinetic temperature and spatial density measured with formaldehyde

Xindi Tang, C. Henkel+12 more|Repository of the Academy's Library (Library of the Hungarian Academy of Sciences)|Nov 27, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 106被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、アタスガル・セレクトドの100個の質量の大きなクラスターに対して、APEX望遠鏡で観測されたホルマール（H₂CO）の放射線を用いて、内部銀河の運動温度と空間密度を導出している。高運動温度（43–>300 K、平均91 ± 4 K）と中程度の密度（0.6–8.3 × 10⁶ cm⁻³、平均1.5 × 10⁶ cm⁻³）が得られ、H₂COはNH₃ やダストと比較してより高温のガスを示している。また、H₂CO線のラジアンスと全波長放射の間には、4桁の範囲にわたり強い相関が認められ、これはH₂COが高質量星形成における温かい高密度ガス質量の信頼できる tracer であることを示している。

ABSTRACT

We aim to directly determine the kinetic temperature and spatial density with formaldehyde for the $\sim$100 brightest ATLASGAL-selected clumps at 870 $μ$m representing various evolutionary stages of high-mass star formation. Ten transitions ($J$ = 3-2 and 4-3) of ortho- and para-H$_2$CO near 211, 218, 225, and 291 GHz were observed with the APEX 12 m telescope. Using non-LTE models with RADEX, we derive the gas kinetic temperature and spatial density using the measured p-H$_2$CO 3$_{21}$-2$_{20}$/3$_{03}$-2$_{02}$, 4$_{22}$-3$_{21}$/4$_{04}$-3$_{03}$, and 4$_{04}$-3$_{03}$/3$_{03}$-2$_{02}$ ratios. The gas kinetic temperatures derived from the p-H$_2$CO 3$_{21}$-2$_{20}$/3$_{03}$-2$_{02}$ and 4$_{22}$-3$_{21}$/4$_{04}$-3$_{03}$ line ratios are high, ranging from 43 to $>$300 K with an unweighted average of 91 $\pm$ 4 K. Deduced $T_{ m kin}$ values from the $J$ = 3-2 and 4-3 transitions are similar. Spatial densities of the gas derived from the p-H$_2$CO 4$_{04}$-3$_{03}$/3$_{03}$-2$_{02}$ line ratios yield 0.6-8.3 $ imes$ 10$^6$ cm$^{-3}$ with an unweighted average of 1.5 ($\pm$0.1) $ imes$ 10$^6$ cm$^{-3}$. A comparison of kinetic temperatures derived from p-H$_2$CO, NH$_3$, and the dust emission indicates that p-H$_2$CO traces a distinctly higher temperature than the NH$_3$ (2,2)/(1,1) transitions and the dust, tracing heated gas more directly associated with the star formation process. The H$_2$CO linewidths are found to be correlated with bolometric luminosity and increase with the evolutionary stage of the clumps, which suggests that higher luminosities tend to be associated with a more turbulent molecular medium. It seems that the spatial densities measured with H$_2$CO do not vary significantly with the evolutionary stage of the clumps. However, averaged gas kinetic temperatures derived from H$_2$CO increase with time through the evolution of the clumps.

研究の動機と目的

• ホルマール（H₂CO）線比を用いて、高質量星形成中の質量の大きなクラスターにおける運動温度と空間密度を直接測定すること。
• 高質量星形成の過程における高密度ガスの物理的状態を示す tracer としてのH₂COの信頼性を評価すること。
• 質量の大きなクラスターの進化段階に応じて、温度・密度・線ラジアンスがどのように変化するかを調査すること。
• NH₃ やダスト放射からのパラメータと比較することで、クラスター内の熱的構造を理解すること。
• H₂CO線ラジアンスと全波長放射の関係を、温かい高密度ガス質量の診断指標として確立すること。

提案手法

• 211–291 GHzの範囲で、正方型および反対型H₂COの10個の遷移（J = 3–2および4–3）を、APEX 12 m望遠鏡を用いて観測した。
• 非局所温度平衡（non-LTE）放射輸送モデル（RADEX）を用いて、観測された線フラックス比から運動温度と空間密度を導出した。
• 温度は、正方型H₂COの3₂₁–2₂₀ / 3₀₃–2₀₂および4₂₂–3₂₁ / 4₀₄–3₀₃比から、密度は4₀₄–3₀₃ / 3₀₃–2₀₂比から計算した。
• 得られた温度を、NH₃（2,2）/（1,1）遷移とダストスペクトルエネルギー分布（SED）フィッティングによる温度と比較した。
• H₂CO線ラジアンス、全波長放射、クラスターの進化段階との相関を分析した。
• TOP100サンプル全体の中央値物理パラメータを報告するにあたり、加重平均を用いなかった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 内部銀河のさまざまな進化段階にある質量の大きなクラスターにおける、高密度ガスの運動温度と空間密度は何か？
• RQ2 同じクラスターにおいて、H₂COから導かれた温度は、NH₃ やダスト放射から得られた温度とどのように異なるか？
• RQ3 H₂CO線ラジアンスと全波長放射との間に相関があるか？
• RQ4 運動温度と空間密度は、クラスターの進化段階に応じてどのように変化するか？
• RQ5 H₂CO線ラジアンスは、高質量星形成領域における温かい高密度分子ガス質量を信頼できる方法でトレースできるか？

主な発見

• 正方型H₂CO線比から導かれた運動温度は43 Kから>300 Kの範囲にあり、加重平均で91 ± 4 Kであった。
• 正方型H₂COの4₀₄–3₀₃ / 3₀₃–2₀₂比から導かれた空間密度は0.6–8.3 × 10⁶ cm⁻³の範囲にあり、平均で1.5 × 10⁶ cm⁻³であった。
• H₂COはNH₃（2,2）/（1,1）遷移やダストと比較して顕著に高い温度を示しており、埋め込まれた質量の大きな星によって直接加熱されたガスをトレースしていることが示唆された。
• H₂COのライン幅は、全波長放射と進化段階に伴い増大しており、より進化した、高放射のクラスターでは乱流が強まっていることを示している。
• 全波長放射 / クラスター質量比 L_bol / M_clump ≥ 10 L☉/M☉ の範囲では、ガスの運動温度と L_bol / M_clump の間の粗い相関が認められ、温度が進化段階を追跡していることが示された。
• H₂CO線ラジアンスは、全波長放射と4桁の範囲にわたり線形相関を示しており、これはH₂COが高質量星形成における温かい高密度ガス質量の信頼できるトレーサーであることを支持する。