[論文レビュー] H2O line mapping at high spatial and spectral resolution - Herschel observations of the VLA1623 outflow

P. Bjerkeli, René Liseau+13 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 44被引用数 24

ひとこと要約

本研究では、高スペクトル分解能および高空間分解能で、VLA1623の噴流におけるH2O放出を、HerschelのHIFIおよびPACS機器を用いてマッピングした。その結果、T > 200 Kのガスからの水蒸気放出が明らかになった。延長された噴流領域における水の同位体比はX(H2O) < 1 × 10⁻⁶と低く、最近の衝撃モデルの予測とは著しく異なるが、局所的にHH 313 Aのバッシュ・ショック領域では10⁻⁵にまで上昇している。

ABSTRACT

Apart from being an important coolant, H2O is known to be a tracer of high-velocity molecular gas. Recent models predict relatively high abundances behind interstellar shockwaves. The dynamical and physical conditions of the H2O emitting gas, however, are not fully understood yet. We aim to determine the abundance and distribution of H2O, its kinematics and the physical conditions of the gas responsible for the H2O emission. The observed line profile shapes help us understand the dynamics in molecular outflows. We mapped the VLA1623 outflow, in the ground-state transitions of o-H2O, with the HIFI and PACS instruments. We also present observations of higher energy transitions of o-H2O and p-H2O obtained with HIFI and PACS towards selected outflow positions. From comparison with non-LTE radiative transfer calculations, we estimate the physical parameters of the water emitting regions. The observed water emission line profiles vary over the mapped area. Spectral features and components, tracing gas in different excitation conditions, allow us to constrain the density and temperature of the gas. The H2O emission originates in a region where temperatures are comparable to that of the warm H2 gas (T\gtrsim200K). Thus, the H2O emission traces a gas component significantly warmer than the gas responsible for the low-J CO emission. The H2O column densities at the CO peak positions are low, i.e. N(H2O) \simeq (0.03-10)x10e14 cm-2. The H2O abundance with respect to H2 in the extended outflow is estimated at X(H2O)&lt;1x10e-6, significantly lower than what would be expected from most recent shock models. The H2O emission traces a gas component moving at relatively high velocity compared to the low-J CO emitting gas. However, other dynamical quantities such as the momentum rate, energy and mechanical luminosity are estimated to be the same, independent of the molecular tracer used, CO or H2O.

研究の動機と目的

• VLA1623の噴流における水蒸気放出ガスの空間的分布、運動学的構造、および物理的状態を特定すること。
• 水の同位体比をH2と比較し、衝撃モデルの予測と照らし合わせて評価すること。
• H2O放出が低J COとは異なるガス成分を示すかどうか、特に温度および速度の観点から調査すること。
• H2O放出ガスの力学的役割を、運動量率、エネルギー、機械的放射率を推定することで評価すること。

提案手法

• HerschelのHIFIおよびPACS機器を用いて、基底状態の正交H2O遷移（110–101および212–101）の高分解能空間的およびスペクトル的マッピング。
• 噴流内特定位置における、より高エネルギーの正交およびパラH2O遷移（例：211–202、312–303、303–212、313–202）の追加的なラインサーベイ観測。
• LVG（大速度勾配）近似を用いた非局所熱平衡放射線輸送モデリングにより、観測されたラインプロファイルからH2Oの柱密度、ガス温度、密度を導出。
• 観測されたラインプロファイルと合成モデルの比較により、励起状態を制約し、動力学的温度やH2密度などの物理的パラメータを推定。
• H2OおよびCOのラインデータから、運動量率、エネルギー、機械的放射率などの力学的量を推定し、異なるトレーサー間での一貫性を評価。
• SpitzerのH2データおよび形状的制約を用いて、HH 313 A領域における高温ガスの存在を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高スペクトル分解能および高空間分解能で、VLA1623の噴流におけるH2O放出の空間的分布および運動学的構造は何か？
• RQ2 H2O放出ガスの物理的状態（温度、密度、柱密度）は何か？ また、それらは低J CO放出ガスと比較してどう異なるか？
• RQ3 噴流領域におけるH2Oの同位体比は、最近の衝撃モデルの予測と比べてどうか？
• RQ4 H2O放出は、速度および励起状態の観点から、COとは異なる力学的成分を示しているか？
• RQ5 運動量率、エネルギー、放射率といった噴流の力学的性質は、COやH2Oといった異なる分子トレーサー間で一貫しているか？

主な発見

• H2O放出は、200 Kを超える動力学的温度を持つガスから発生しており、低J COが示すガスよりも高温の成分を示している。
• COピーク位置におけるH2Oの柱密度は低く、(0.03–10) × 10¹⁴ cm⁻²の範囲にとどまり、延長された噴流領域における低濃度と整合的である。
• 延長された噴流領域における水の同位体比はX(H2O) < 1 × 10⁻⁶と推定され、最近の衝撃モデルの予測とは著しく低い。
• 局所的には、HH 313 Aのバッシュ・ショック領域（空間スケール約5′′）において、水の同位体比がX(H2O) ≈ 1 × 10⁻⁵にまで上昇しており、局所的な増強が示唆される。
• 運動量率、エネルギー、機械的放射率のいずれについても、COとH2Oの両トレーサー間で一貫性が確認され、駆動力は使用される分子トレーサーに依存しないことが示唆される。
• 南東部の噴流におけるラインプロファイル形状から、顕著な横方向ガス運動が示唆され、視線方向に対する傾き角は75°未満である可能性が高い。