[論文レビュー] Protostellar Outflows at the EarliesT Stages (POETS). I. Radio thermal jets at high resolution nearby H$_2$O maser sources

A. Sanna, L. Moscadelli+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2018

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 55被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、VLAを用いて、水蒸気メーザーと関連する33個の原始星のジェット候補に対して、センチメートル波長帯の高分解能電波連続放射観測を実施した。電波連続放射の発光度と水蒸気メーザー発光度の間に強い相関（r > 0.8）が確認され、熱的ブレムストラール放出放射が、1–10⁵ L⊙の広い星の発光度範囲にわたって衝撃電離された（原始）星風およびジェットを示していることが確認された。

ABSTRACT

Abridged. Methods. We made use of the Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) in the B configuration at K band, and in the A configuration at both Ku and C bands, in order to image the radio continuum emission towards 25 H$_2$O maser sites with an angular resolution and thermal rms of the order of $0.1''$ and 10 $μ$Jy beam$^{-1}$, respectively. These targets add to our pilot study of 11 maser sites presented in Moscadelli et al. (2016). The sample of H$_2$O maser sites was selected among those regions having an accurate distance measurement, obtained through maser trigonometric parallaxes, and H$_2$O maser luminosities in excess of 10$^{-6}$ L$_{\odot}$. Results. We present high-resolution radio continuum images of 33 sources belonging to 25 star-forming regions. In each region, we detect radio continuum emission within a few 1000 au of the H$_2$O masers' position; 50% of the radio continuum sources are associated with bolometric luminosities exceeding 5 $ imes$ 10$^{3}$ L$_{\odot}$, including W33A and G240.32$+$0.07. We provide a detailed spectral index analysis for each radio continuum source, based on the integrated fluxes at each frequency, and produce spectral index maps with the multi-frequency-synthesis deconvolution algorithm of CASA. The radio continuum emission traces thermal bremsstrahlung in (proto)stellar winds and jets, with flux densities at 22 GHz below 3 mJy, and spectral index values between $-0.1$ and 1.3. We prove a strong correlation ($r>$0.8) between the radio continuum luminosity (L$_{ m rad}$) and the H$_2$O maser luminosity (L$_{ m H_2O}$) of ($ m L_{8GHz}/mJy imes kpc^2)=10^{3.8} imes(L_{H_2O}/L_{\odot})^{0.74}$. Since H$_2$O masers are excited through shocks driven by (proto)stellar winds and jets, these results provide support to the idea that the radio continuum emission around young stars is dominated by shock-ionization.

研究の動機と目的

• 明るい水蒸気メーザーと関連する若い星の1000 au以内で、センチメートル波長帯の自由自由連続放射を撮像すること。
• 水蒸気メーザーのスペクトルを用いてジェットの運動学を調べ、電波連続放射の性質と相関をとること。
• 電波発光度と全波長発光度およびメーザー発光度を結びつけることで、原始星ジェットのエネルギー収支を定量化すること。
• 電波連続放射が、広い星の発光度範囲にわたって衝撃電離された星風およびジェットを示しているかどうかを検証すること。

提案手法

• 1–7 cm（26–4 GHz）の波長帯で、Karl G. Jansky Very Large Array（VLA）を用い、B、A、Ku、Cの各配置で高分解能観測を実施した。
• 33の水蒸気メーザー源のうち25か所について、正確なパララックス距離を用い、空間分解能約0.1 arcsec、熱雑音約10 μJy beam⁻¹を達成した。
• CASAを用いて、複数周波数での合成のデコンボリューションを実行し、複数周波数での合成 flux 密度からスペクトル指数マップを作成した。
• 形状とスペクトル指数に基づいて、電波連続放射源を星風（SW）、ジェット（JET）、不透明核（OP）、H II領域に分類した。
• バンド間の放射度比からスペクトル指数（α）を計算し、熱的（自由自由）放射と非熱的放射を区別した。
• 全波長発光度と水蒸気メーザー発光度（L_H₂O > 10⁻⁶ L⊙）を用いて、経験的スケーリング関係を確立した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始星の進化の最も初期段階における、水蒸気メーザー源に関連するセンチメートル電波連続放射の性質は何か？
• RQ2 電波連続放射のスペクトル指数および放射度は、（原始）星風の性質とどのように関係しているか？
• RQ3 広い範囲の原始星発光度にわたって、電波連続放射発光度と水蒸気メーザー発光度の間に一貫した相関があるか？
• RQ4 電波連続放射は、原始星の星風およびジェットにおける衝撃電離ガスをどの程度正確に示しているか？
• RQ5 観測された電波、全波長、メーザー発光度のスケーリング関係は、若い星のジェットエネルギー収支を推定するために利用可能か？

主な発見

• 33のすべての源において、水蒸気メーザー位置の1000 au以内で電波連続放射が検出され、22 GHzにおける放射度は3 mJy未満であった。
• スペクトル指数（α）は–0.1から1.3の間であり、イオン化された（原始）星風およびジェットからの熱的ブレムストラール放出放射と整合的であった。
• 電波連続放射発光度（L_rad）と水蒸気メーザー発光度の間に強い相関（r > 0.8）が確認され、関係式は (L_8GHz/mJy kpc²) = 10³.⁸ × (L_H₂O/L⊙)^0.⁷⁴ であった。
• 電波–メーザー発光度関係は、既知の電波–全波長発光度関係とよく一致しており、衝撃電離が主な電離機構であることを支持している。
• 電波源の50％が全波長発光度5 × 10³ L⊙を超えており、W33A や G240.32+0.07 を含んでいた。
• 結果として、電波連続放射が1–10⁵ L⊙の範囲で衝撃電離されたジェットを示していることが確認され、初期段階のジェット活動の代理指標としての有効性が裏付けられた。