[論文レビュー] HIFISTARS Herschel/HIFI observations of VY Canis Majoris. Molecular-line inventory of the envelope around the largest known star

J. Alcolea, V. Bujarrabal+17 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Oct 9, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 43被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、ハーシェル/HIFI機器を用いたVY カンティス・マジョリスの高分解能サブミリメートルおよび遠赤外線観測を行い、CO、H₂O、NH₃、SiO、SO、その他の分子からなる多数の遷移線を、10–1000 Kの広範な励起エネルギー範囲で検出している。主な発見は、VY CMaの包層が複数の分離した成分から構成されており、振動励起状態および希少な同素体種の強力な発光が、他の進化星とは異なり、その温かい内側領域で極めて極端な物理的条件と分子の過剰な存在を示していることである。

ABSTRACT

To gain insight into the physical conditions and kinematics of the warm (100-1000 K) gas around the red hyper-giant VY CMa, we performed sensitive high spectral resolution observations of molecular lines in the sub-mm/FIR using the HIFI instrument of the Herschel Space Observatory. We observed CO, H2O, and other molecular species, sampling excitation energies from a few tens to a few thousand K. These observations are part of the Herschel Guaranteed Time Key Program HIFISTARS. We detected the J=6-5, J=10-9, and J=16-15 lines of 12CO and 13CO at about 100, 300, and 750K above the ground state (and the 13CO J=9-8 line). These lines are crucial for improving the modelling of the internal layers of the envelope around VY CMa. We also detected 27 lines of H2O and its isotopomers, and 96 lines of species such as NH3, SiO, SO, SO2 HCN, OH and others, some of them originating from vibrationally excited levels. Three lines were not unambiguously assigned. Our observations confirm that VY CMa's envelope must consist of two or more detached components. The molecular excitation in the outer layers is significantly lower than in the inner ones, resulting in strong self-absorbed profiles in molecular lines that are optically thick in this outer envelope, for instance, low-lying lines of H2O. Except for the most abundant species, CO and H2O, most of the molecular emission detected at these sub-mm/FIR wavelengths arise from the central parts of the envelope. The spectrum of VY CMa is very prominent in vibrationally excited lines, which are caused by the strong IR pumping present in the central regions. Compared with envelopes of other massive evolved stars, VY CMa's emission is particularly strong in these vibrationally excited lines, as well as in the emission from less abundant species such as H13CN, SO, and NH3.

研究の動機と目的

• VY カンティス・マジョリスの周囲包層の物理的・化学的構造を調査すること。
• ミリメートル波長観測では到達できない100–1000 Kの温かい分子ガスを内側包層で探査すること。
• 主な種の励起状態、運動学的性質、および分子の過剰度（希少同素体種および振動励起状態を含む）を特定すること。
• 他の進化星（NML Cyg、IRC +10420、ベテルギウス、AFGL 2343）と比較することで、VY CMaの特異な質量放出および化学的複雑性を理解すること。

提案手法

• サブミリメートルおよび遠赤外線領域で、ハーシェルHIFI機器を用いた高スペクトル分解能観測が実施された。
• 12CO、13CO、H₂O、H₂O同素体種、NH₃、SiO、SO、SO₂、HCN、H13CN、OH、その他の種からなる線が、数十から数千ケルビンの励起エネルギー範囲で検出された。
• スペクトル線幅の解析により、光学的厚さ、励起温度、および全密度が導出された。自己吸収特徴は、外側包層成分で高い光学的厚さを示している。
• 他の進化星（NML Cyg、IRC +10420、ベテルギウス、AFGL 2343）と比較するため、正規化された積分輝度を用いて相対的な分子発光強度を評価した。
• 発光強度の比較の基準として、13CO J=6–5線が用いられた。
• 振動遷移およびメーザー線の解析により、赤外線ポンピングが高エネルギー準位を励起する役割を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VY カンティス・マジョリスの周囲包層における温かい分子ガスの励起構造は何か？
• RQ2 VY CMaの物理的条件および分子の過剰度は、他の進化星と比較して、特に希少同素体種および振動励起状態においてどう異なるか？
• RQ3 振動励起状態の線で強い発光が観測される原因は何か。これは中心領域における赤外線ポンピングとどのように関係しているか？
• RQ4 なぜVY CMaはH13CN、SO、NH₃といった希少種の線で、他のハイパージェンスよりも強く発光しているのか？
• RQ5 VY CMaに複数の分離した包層成分が存在することを示す証拠は何か？

主な発見

• HIFI観測により、12CO、13CO、H₂O、その他の種から合計96本の線が検出され、高励起遷移（12COのJ=16–15は基底状態から約750 K上にある）が含まれていた。
• 13CO J=10–9およびJ=16–15線の検出により、内側包層に高い励起温度が存在することが確認され、温かいガス構造のモデル化に不可欠な情報が得られた。
• VY CMaは、特にH₂OおよびSiOの振動励起状態で極めて強い発光を示しており、中心領域での強い赤外線ポンピングが示唆された。
• H13CN、SO、NH₃といった希少種の線で、VY CMaは他の進化星よりも強く発光しており、それらの分子の過剰度がより高いことを示している。
• para-H₂¹⁸O 1₁,₁–0₀,₀線は、VY CMaではNML Cygよりも著しく弱く、この同素体種の過剰度が低いことを示している。
• C¹⁸Oは検出されず、これは18Oの過剰度が低いか、または主同素体種の光学的厚さが高いことと整合的である。