[論文レビュー] Hot ammonia around young O-type stars

C. Goddi, Adam Ginsburg+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 28被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、高分解能（0.2–0.3 arcsec）のJVLA観測を用いて、W51 Mainの高質量星形成領域における高エネルギー準位のNH3準位遷移（J,K = 6,6 から 13,13）をマッピングし、4つの明著なホットコアを特定した。W51e2-Eは、強力な吸い込み運動、噴出流、メーザー活性、および約20 M⊙の高温ガスを有するため、主な降着中心であると特定された。一方、W51e2-Wは、高温NH3が吸収状態にあり、小スケール（<1000 AU）での回転を示唆する速度勾配を示す超compact HII領域を有しており、中心のO型星が降着の大部分を終えていると示唆される。

ABSTRACT

Context. This paper is the second in a series of ammonia (NH3) multilevel imaging studies in high-mass star forming regions. Aims. We want to identify the location of the maser emission from highly excited levels of ammonia within the W51 IRS2 high-mass star forming complex that was previously discovered in a single dish monitoring program. Methods. We have used the Karl Jansky Very Large Array (JVLA) at the 1 cm band to map five highly excited metastable inversion transitions of NH3, (J,K) = (6,6), (7, 7), (9, 9), (10, 10), and (13, 13), in W51 IRS2 with ~0.̋2 angular resolution. Results. We present detections of both thermal (extended) ammonia emission in the five inversion lines, with rotational states ranging in energy from about 400 K to 1700 K, and point-like ammonia maser emission in the (6, 6), (7, 7), and (9, 9) lines. For the point-like emission, we estimate lower limits to the peak brightness temperatures of 1.7 × 105 K, 6 × 103 K, and 1 × 104 K for the (6, 6), (7, 7), and (9, 9) transitions, respectively, confirming their maser nature. The thermal ammonia emits around a local standard of rest velocity of VLSR = 60 km s-1, near the cloud’s systemic velocity, appears elongated in the east-west direction across 4′′ and is confined by the HII regions W51d (to the north), W51d1 (to the east), and W51d2 (to the west). The NH3 masers are observed in the eastern tip of the dense clump traced by thermal NH3, offset by 0.̋65 to the east from its emission peak, and have a peak velocity at ~47.5 km s-1. No maser components are detected near the systemic velocity. The NH3 masers arise close to but separated from (0.̋65 or 3500 AU) the rare vibrationally excited SiO masers, which are excited in a powerful bipolar outflow driven by the deeply embedded high-mass young stellar object (YSO) W51-North. This means that the two maser species cannot be excited by the same object. Interestingly, the NH3 masers originate at the same sky position as a peak in a submm line of SO2 imaged with the Submillimeter Array, tracing a face-on circumstellar disk or ring around W51-North. In addition, the thermal emission from the most highly excited NH3 lines, (10, 10) and (13, 13), shows two main condensations, the dominant one towards W51-North with the SiO and H2O masers, and a weaker peak at the NH3 maser position. Conclusions. We propose a scenario where the ring seen in SO2 emission is a circumbinary disk surrounding (at least) two high-mass YSOs, W51-North (exciting the SiO masers) and a nearby companion (exciting the NH3 masers), separated by 3500 AU. This finding indicates a physical connection (in a binary) between the two rare SiO and NH3 maser species.

研究の動機と目的

• 高角分解能NH3線放出を用いて、W51 Main領域の高質量若星形成対象（YSO）の物理的・力学的性質を同定すること。
• 速度勾配、吸い込みの兆候、ガス貯留量の分析を通じて、W51e2複合体における主な降着中心を特定すること。
• 温度、密度、分子ガス質量の推定値を用いて、複数のホットコア（W51e2-W, e2-E, e2-NW, e8）の進化段階を評価すること。
• 回転、吸い込み、噴出流が、W51 Mainにおける高質量星形成の運動学に果たす役割を調査すること。

提案手法

• カルル・ジャンスキー・非常に大規模電波望遠鏡（JVLA）を用いて、(J,K) = (6,6), (7,7), (9,9), (10,10), (13,13) の5つの準位遷移のメタスタブルNH3遷移を、サブアーセコンド分解能（~0.2–0.3 arcsec）で観測した。
• 超微細構造（HFS）モデル化を用いてスペクトル線をフィッティングし、四極子分裂および主要成分とサイドバンド成分の相対的強度を考慮した。
• 光学厚さ補正を適用して、正規化された全粒子数密度（Nu/g）とエネルギー（Eu）の傾きから、正確な回転温度および核密度を導出した。
• 位置-速度（PV）図分析を用いて、速度勾配を特定し、回転または吸い込み運動を推定した。
• 観測された線の非対称性（青方シフトの歪み）を放射輸送モデルと比較し、光学的に厚いNH3放出における吸い込みの検出を行った。
• ガス質量を推定するにあたり、[NH3]/[H2] = 10⁻⁷ を仮定し、回転図分析から力学的温度および密度を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 W51 Main領域におけるホットコアの物理的状態（温度、密度、質量）は何か？
• RQ2 W51e2複合体において、現在進行中の高質量降着の主要な場所はどのコアか？
• RQ3 W51e2の中心部における運動学的シグネチャー（回転、吸い込み、噴出流）は何か？
• RQ4 ガス貯留量と活動性の観点から、W51e2のサブコアおよびW51e8の進化段階はどのように比較できるか？
• RQ5 HC HII領域における観測された速度勾配は、高質量星形成の力学的理解にどのような意味を持つのか？

主な発見

• W51e2-Eは、HC HII領域から約0.8′′東方に位置し、約20 M⊙の高温分子ガス（T ~170 K、nH2 ~5 × 10⁷ cm⁻³）を有する主降着中心であり、強力な噴出流、メーザー活性、および吸い込みを示唆する青方非対称線形プロファイルを示している。
• W51e2-Wコアは、HC HII領域を取り囲んでおり、すべてのNH3線で明確な東西方向の速度勾配を示しており、1000 AU未満のスケールでの回転を示唆しているが、ケプラーモデルの特徴は検出されなかった。
• W51e2-Wの中心YSOは、降着の大部分を終えていると示唆されており、電波輝度から推定される質量（>20 M⊙）に比べて利用可能な降着ガスが少ない（~5 M⊙）ことから、その根拠がある。
• W51e2-NWおよびW51e8は、それぞれ約140 Kおよび約200 Kの温度を示し、ガス質量は約30 M⊙および約70 M⊙である。これは、低質量または初期段階の高質量YSOを有している可能性を示唆している。
• W51e2-Wにメーザー活性や噴出流が見られないこと、およびガス貯留量が少ないことから、W51e2-Eよりも進化段階が進んでいると結論づけられる。
• NH3線の回転温度解析により、W51e2-EおよびW51e2-NWではT_rot ~170 K、W52e2では~167 K、W51e8では~515 Kが得られ、最も明るいコアでは顕著な熱励起が確認された。