[論文レビュー] SHAPEMOL: a 3-D code for calculating CO line emission in planetary and protoplanetary nebulae. Detailed model fitting of the complex nebula NGC 6302

M. Santander-García, V. Bujarrabal+2 more|DIGITAL.CSIC (Spanish National Research Council (CSIC))|Oct 24, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 25被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、非局所熱力学的平衡（non-LTE）条件下における惑星状星雲および原始惑星状星雲のCO線放射のモデル化を可能にする3次元放射移動コード、shapemolを紹介する。このコードは、12COおよび13COのJ=1–0からJ=17–16遷移における放射移動を解き、正確な合成スペクトルプロファイルおよび干渉計マップを生成する。NGC 6302に適用した結果、指状構造や高速度の塊体を持つ複雑で途切れた輪状の分子包みが特定され、全分子質量は0.11 M⊙であった。

ABSTRACT

Modern instrumentation in radioastronomy constitutes a valuable tool for studying the Universe: ALMA has reached unprecedented sensitivities and spatial resolution, while Herschel/HIFI has opened a new window for probing molecular warm gas (~50-1000 K). On the other hand, the software SHAPE has emerged in the past few years as a standard tool for determining the morphology and velocity field of different kinds of gaseous emission nebulae via spatio-kinematical modelling. SHAPE implements radiative transfer solving, but it is only available for atomic species and not for molecules. Being aware of the growing importance of the development of tools for simplifying the analyses of molecular data, we introduce shapemol, a complement to SHAPE, with which we intend to fill the so-far under-developed molecular niche. shapemol enables user-friendly, spatio-kinematic modelling with accurate non-LTE calculations of excitation and radiative transfer in CO lines. It allows radiative transfer solving in the 12CO and 13CO J=1-0 to J=17-16 lines, but its implementation permits easily extending the code to different molecular species. shapemol allows easily generating synthetic maps and line profiles to match against interferometric or single-dish observations. We fully describe shapemol and discuss its limitations and the sources of uncertainty to be expected in the final synthetic profiles or maps. As an example of the power and versatility of shapemol, we build a model of the molecular envelope of the planetary nebula NGC 6302 and compare it with 12CO and 13CO J=2-1 interferometric maps from SMA and high-J transitions from Herschel/HIFI. We find the molecular envelope to have a complex, broken ring-like structure with an inner, hotter region and several 'fingers' and high-velocity blobs, emerging outwards from the plane of the ring. We derive a mass of 0.11 Msun for the molecular envelope.

研究の動機と目的

• 惑星状星雲および原始惑星状星雲の3次元空間的・運動的モデルにおける分子線放射のモデル化を支援するツールの不足を補う。
• 非局所熱力学的平衡状態におけるCO線放射の正確で使いやすいモデル化を可能にし、原子種しか取り扱えない従来のツール（SHAPEなど）が残した空白を埋める。
• ALMA や Herschel/HIFI の高分解能・高感度データの解析を支援するため、実測データと比較可能な合成観測を生成する。
• COに限らない、高J線や他の分子種の遷移を含む、柔軟で拡張可能なフレームワークを提供する。

提案手法

• shapemolは、CO回転遷移（J=1–0からJ=17–16）における非局所熱力学的平衡状態の放射移動を解くために、大速度勾配（LVG）近似を採用する。
• コードはCO準位の統計的平衡を計算し、星雲の3次元密度・速度・温度構造に基づいて放射線の出射線強度を算出する。
• SHAPEソフトウェアとシームレスに統合され、3次元メッシュに基づく幾何構造と運動学的構造を活用して、合成チャンネルマップおよび位置-速度図を生成する。
• 多くの構造に対しては、一定速度を持つ薄い特徴（指状構造など）を想定した球面対称な力学的拡張パターンを仮定する。
• 密度および温度分布を変化可能に設定でき、内側の高温領域と外側の冷却された包みを含む構造を扱える。
• コードは拡張性を備えており、将来的にユーザーまたは開発者による変更により、追加の分子種や遷移のサポートが可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複雑な3次元星雲構造におけるCO線の非局所熱力学的平衡状態の放射移動を、高分解能干渉計測定および高Jスペクトルデータに一致させるために、どのように正確にモデル化できるか？
• RQ2 惑星状星雲NGC 6302における観測されたCO放射を最もよく再現する3次元的形状および運動学的構造は何か？
• RQ3 密度、温度、速度といった物理的条件は、輪状構造、指状構造、高速度の塊体といった星雲の異なる構成要素でどのように変化しているか？
• RQ4 NGC 6302におけるCO放射を示す分子包みの全質量は何か？また、以前の推定値と比較するとどうなるか？
• RQ5 簡略化された3次元モデルは、干渉計チャンネルマップで観測された複雑でクラスタ構造を持つ構造をどの程度再現できるか？

主な発見

• NGC 6302の分子包みは、内側に高温領域を有する複雑で途切れた輪状構造を示し、外側には広がった冷却領域が存在する。
• 星雲には、輪の平面から外側に延びる複数の高速度「指状構造」と塊体が存在し、最大で38 km s⁻¹の速度に達している。
• トーラスの内側露出領域の温度は300 Kに達するが、外側領域は冷却されており、数十ケルビンの範囲で温度が変動している。
• CO放射を示す分子包みの全質量は0.11 M⊙であり、そのうち0.08 M⊙がトーラスに、0.03 M⊙が指状構造および塊体に寄与している。
• モデルは低JのSMA干渉計マップと高JのHerschel/HIFI線スペクトルの両方と整合しており、異なるデータセット間の整合性が裏付けられている。
• モデルが干渉計データにおける急激なチャンネル間変動を再現できないことから、滑らかな3次元構造では捉えきれない小スケールのクラスターや空洞が存在することが示唆される。