[論文レビュー] The complete far-infrared and submillimeter spectrum of the Class 0 protostar Serpens SMM1 obtained with Herschel. Characterizing UV-irradiated shocks heating and chemistry

J. R. Goicoechea, J. Cernicharo+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 60被引用数 46

ひとこと要約

本研究は、ハーシェルを用いた最初の完全な遠赤外線およびサブミリ波長スペクトルスキャンを通じて、クラス0のプロト星Serpens SMM1の遠赤外線およびサブミリ波長域における145本以上の発光ライン（CO、H2O、OH、および原子の微細構造ラインを含む）を検出する。データは衝撃ガスに3つの温度成分（800 K、375 K、150 K）を示しており、UV放射にさらされた解離性および非解離性Jショックが、特に[O i]、OH、およびH2Oの励起および化学反応を説明している。また、高いガス密度（5×10⁶ cm⁻³以上）および低いCOおよびH2Oの過剰量（≤10⁻⁴および≤0.5×10⁻⁵）が推定されている。

ABSTRACT

We present the first complete 55-671 um spectral scan of a low-mass Class 0 protostar (Serpens SMM1) taken with the PACS and SPIRE spectrometers on board Herschel. More than 145 lines have been detected, most of them rotationally excited lines of 12CO (full ladder from J=4-3 to 42-41), H2O, OH, 13CO, HCN and HCO+ . Bright [OI]63,145um and weaker [CII]158 and [CI]370,609um lines are also detected. Mid-IR spectra retrieved from the Spitzer archive are also first discussed here, they show clear detections of [NeII], [FeII], [SiII] and [SI] fine structure lines as well as weaker H2 S(1) and S(2) pure rotational lines. The observed line luminosity is dominated by CO (~54%), H2O (~22%), [OI] (~12%) and OH (~9%) emission. A non-LTE radiative transfer model allowed us to quantify the contribution of the 3 different temperature components suggested by the 12CO rotational ladder (Tk(hot)~800 K, Tk(warm)~375 K and Tk(cool)~150 K). Gas densities n(H2)~5x10^6 cm^-3 are needed to reproduce the observed far-IR lines arising from shocks in the inner protostellar envelope for which we derive upper limit abundances of x(CO)~10^-4, x(H2O)~0.2x10^-5 and x(OH)~10^-6. The lower energy submm 12CO and H2O lines show more extended emission that we associate with the cool entrained outflow gas. Fast dissociative J-shocks (v_s > 60 km s^-1) as well as lower velocity non-dissociative shocks (v_s < 20 km s^-1) are needed to explain both the atomic lines and the hot CO and H2O lines respectively. Observations also show the signature of UV radiation and thus, most observed species likely arise in UV-irradiated shocks. Dissociative J-shocks produced by an atomic jet are the most probable origin of [OI] and OH emission and of a significant fraction of the warm CO emission. In addition, H2O photodissociation in UV-irradiated non-dissociative shocks can also contribute to the [OI] and OH emission.

研究の動機と目的

• 完全な遠赤外線およびサブミリ波長スペクトルサーベイを用いて、低質量クラス0プロト星の内部エンVELOープ内の物理的および化学的条件を特徴づけること。
• CO、H2O、OH、および原子の微細構造ラインのような主要分子の励起および化学反応に及ぼすショック波とUV放射の寄与を解明すること。
• 複数成分の放射線輸送モデルを用いて、衝撃ガス内の温度、密度、および分子過剰量を定量化すること。

提案手法

• ハーシェルのPACSおよびSPIRE分光器を用いて、55〜671 μmの完全なスペクトルスキャンを実施し、高励起状態の回転遷移を検出可能とした。
• 12 COの回転遷移ラダーおよび他の分子ラインに、複数成分非局所熱平衡（non-LTE）放射線輸送モデルを適用し、ガス温度（T_k）および密度（n(H2)）を導出した。
• 12 COの回転図を用いて、3つの明確な温度成分（高温（約800 K）、中温（約375 K）、冷却（約150 K））を推定した。
• スパイitzerアーカイブのミッド赤外線スペクトルを分析し、微細構造ライン（例：[Ne ii]、[Fe ii]、[Si ii]、[S i]）およびH2の回転遷移ラインを検出した。
• ショックモデルを用いて、高J CO、H2O、およびOHラインの励起を解釈し、高速解離性Jショック（v_s > 60 km s⁻¹）と低速非解離性ショック（v_s ≤ 20 km s⁻¹）を区別した。
• 弱い[C ii]および[C i]ラインの検出と高いHCO⁺/HCN過剰量比を用いて、UV放射の影響を評価し、UV放射にさらされたショック環境であることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全な遠赤外線およびサブミリ波長スペクトルから、クラス0プロト星Serpens SMM1の内部エンVELOープ内の物理的条件（温度、密度、柱密度）はどのように特定されるか？
• RQ2 高励起分子ライン（例：CO J=42-41、H2OはE_u/k=1036 Kまで）および原子の微細構造ライン（例：[O i]63 μm）の起源は何か？
• RQ3 特に解離性および非解離性Jショックを含むUV放射にさらされたショック波が、観測されたH2O、OH、および[O i]の励起および化学反応をどの程度説明できるか？
• RQ4 導出された分子過剰量（CO、H2O、OH）は、冷たい雲または完全に遮蔽されたホットコアで予想される値と比較してどう異なるか？
• RQ5 埋め込まれた原子ジェットおよびアウトフローのキャビティ壁が、観測されたライン放出および化学的分布に果たす役割は何か？

主な発見

• 12 COの回転図から、3つの明確な温度成分（T_k^hot ≈ 800 K、T_k^warm ≈ 375 K、T_k^cool ≈ 150 K）が確認され、複数の加熱機構が存在することを示している。
• 高温および中温成分のガス密度は、n(H2) ≥ 5 × 10⁶ cm⁻³と推定され、内部エンVELOープ内の高密度衝撃ガスと整合的である。
• 高温＋中温成分における上界過剰量は、x(CO) ≤ 10⁻⁴、x(H2O) ≤ 0.5 × 10⁻⁵、x(OH) ≤ 10⁻⁶（H2に対する相対値）であり、高励起状態にもかかわらず水の過剰量が低いことが示された。
• [O i]63 μmラインは最も明るい発光ラインであり、そのドップラー速度シフトと高励起状態は、埋め込まれた原子ジェットに起因する高速解離性Jショック（v_s > 60 km s⁻¹）によって最もよく説明される。
• 励起されたH2Oライン（E_u/k = 1036 Kまで）は、低速非解離性ショック（v_s ≤ 20 km s⁻¹）と整合的であり、UV放射にさらされたキャビティ壁でのH2Oの光分解がOHおよび[O i]の発光に寄与している可能性を示唆している。
• [Ne ii]、[Fe ii]、[Si ii]、[S i]の微細構造ラインのミッド赤外線域での検出に加え、弱い[C ii]および[C i]ラインの検出により、UV放射場の存在が確認され、観測された大部分の種がUV放射にさらされたショック波で生成されていることが示された。