[論文レビュー] JOYS: Disentangling the warm and cold material in the high-mass IRAS 23385+6053 cluster

C. Gieser, H. Beuther+21 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2023

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 3被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、高分解能のJWST/MIRIおよびNOEMA観測を用いて、高質量プロト星IRAS 23385+6053における温かい（200–400 K）および冷たい（<100 K）ガス成分を分離した。衝撃波によって駆動される複数の流れが同定され、[Fe ii]および[Ni ii]によってJ型衝撃波が示され、H2および[S i]の発光によってC型衝撃波が示された。強力な流れにもかかわらず、冷たいエンvelopeは存続しており、恒星形成が継続可能である。

ABSTRACT

(abridged) We study and compare the warm (&gt;100 K) and cold (&lt;100 K) material toward the high-mass star-forming region IRAS 23385+6053 (IRAS 23385 hereafter) combining high angular resolution observations in the mid-infrared (MIR) with the JWST Observations of Young protoStars (JOYS) project and with the NOEMA at mm wavelengths at angular resolutions of 0.2"-1". The spatial morphology of atomic and molecular species is investigated by line integrated intensity maps. The temperature and column density of different gas components is estimated using H2 transitions (warm and hot component) and a series of CH3CN transitions as well as 3 mm continuum emission (cold component). Toward the central dense core in IRAS 23385 the material consists of relatively cold gas and dust (~50 K), while multiple outflows create heated and/or shocked H2 and show enhanced temperatures (~400 K) along the outflow structures. An energetic outflow with enhanced emission knots of [Fe II] and [Ni II] hints at J-type shocks, while two other outflows have enhanced emission of only H2 and [S I] caused by C-type shocks. The latter two outflows are also more prominent in molecular line emission at mm wavelengths (e.g., SiO, SO, H2CO, and CH3OH). Even higher angular resolution data are needed to unambiguously identify the outflow driving sources given the clustered nature of IRAS 23385. While most of the forbidden fine structure transitions are blueshifted, [Ne II] and [Ne III] peak at the source velocity toward the MIR source A/mmA2 suggesting that the emission is originating from closer to the protostar.

研究の動機と目的

• 高質量星形成領域IRAS 23385+6053における温かいおよび冷たいガス成分の空間的分布を解明すること。
• 中赤外およびミリ波長の発光線診断を用いて、衝撃波の種別（J型対比C型）を特定すること。
• 流れが周囲媒体の加熱および化学的豊度向上に果たす役割を特定すること。
• エネルギー的な流れにもかかわらず、冷たい高密度エンvelopeが生存し、恒星形成に適した状態を維持しているかを評価すること。
• 高質量プロト星環境を理解するためのMIRおよびミリ線の診断的パワーを評価すること。

提案手法

• JWST/MIRIのマッチドリゾリューションスペクトロメータ（MRS）を用いて、禁止遷移およびH2の回転線をマッピングする高空間分解能MIRデータを取得した。
• NOEMAのミリ波データを併用し、分子線（例：CH3CN、SiO、SO、H2CO、CH3OH）および3 mm連続スペクトルを観測した。
• 原子および分子種の空間的形状を分析するために、線の積分強度マップを用いた。
• H2およびCH3CN遷移の放射線輸送モデルを用いて、ガス温度および柱密度を推定した。
• ブルーシフト発光特徴と流れの運動学および源速度を照合し、励起機構を推定した。
• MIRおよびミリ波データを比較して、MIRの流れに対応する分子の対応物を同定し、衝撃構造を追跡した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRAS 23385+6053における温かいおよび冷たいガスの空間的分布および物理的状態（温度、密度）は何か？
• RQ2 どの衝撃波の種別（J型対比C型）が存在し、発光線診断によってどのように同定されるか？
• RQ3 JWSTで観測されたMIRの流れは、ミリ波長で観測された分子の流れとどのように関係しているか？
• RQ4 中心のプロト星（ソースA/mmA2）は、観測された流れを駆動し、エネルギー供給している役割を果たしているか？
• RQ5 強力な流れにもかかわらず、冷たい高密度エンvelopeはどの程度存続し、恒星形成に適した状態を維持しているか？

主な発見

• IRAS 23385+6053の中心の高密度コアには、約50 Kの冷たいガスおよびダストがあり、H2の柱密度は約10^24 cm⁻²であった。
• 複数の双極的流れがガスを加熱および衝撃させ、特にH2および[S i]発光において、流れ構造に沿って約400 Kに達する温度を示した。
• エネルギーの高い流れ（流れIII）は、[Fe ii]および[Ni ii]の発光塊が強化されており、複数回の過去の噴出によって引き起こされたJ型衝撃波を示している。
• 他の2つの流れはH2および[S i]発光のみを示しており、C型衝撃波に一致しており、SiO、SO、H2CO、CH3OHなどのミリ波分子線で顕著に現れた。
• [Ne ii]および[Ne iii]線は、MIRソースA/mmA2の源速度に向かってピークを示しており、プロト星に近い場所からの励起を示唆しており、おそらくディスク風またはX線照射されたキャビティによるものと考えられる。
• 冷たいH2および温かいH2成分の両方の柱密度は10^24 cm⁻²のオーダーであったが、高温成分は著しく密度が低く（約10^22 cm⁻²）であり、局所的な加熱を示している。