[論文レビュー] Water and interstellar complex organics associated with the HH 212 protostellar disc - On disc atmospheres, disc winds, and accretion shocks

C. Codella, E. Bianchi+15 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2018

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 36被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、ALMA Band 7観測を用いて、0.15''解像度（60 au）のHH 212原始星系でHDOおよびCH3CHOを検出した。これは、円盤平面の上部および下部に位置する回転し、吹き出す性質を持つリング構造に、化学的に豊富なガスが存在することを示しており、力学的および組成分析により、低速降着衝撃によって複雑な有機化合物および水がガスに豊かに供給される、円盤風の始まりを示唆している。

ABSTRACT

The HH 212 protostellar system, in Orion B, has been mapped thanks to ALMA-Band 7 Cycle 1 and Cycle 4 observations of dueterated water (HDO) and acetaldehyde (CH$_3$CHO) emission with an angular resolution down to $\sim$0.15 arcsec (60 au). Many emission lines due to 14 CH$_3$CHO and 1 HDO transitions at high excitation ($E_{ m u}$ between 163 K and 335 K) have been imaged in the inner $\sim$ 70 au region. The local thermal equilibrium analysis of the CH$_3$CHO emission leads to a temperature of 78$\pm$14 K and a column density of 7.6$\pm$3.2 $ imes$ 10$^{15}$ cm$^{-2}$, which, when $N_{ m H_2}$ of 10$^{24}$ cm$^{-2}$ is assumed, leads to an abundance of $X_{ m CH_3CHO}$ $\simeq$ 8 $ imes$ 10$^{-9}$. The large velocity gradient analysis of the HDO emission also places severe constraints on the volume density, n$_{ m H_2}$ $\geq$ 10$^8$ cm$^{-3}$. The line profiles are 5--7 km s$^{-1}$ wide, and CH$_3$CHO and HDO both show a $\pm$ 2 km s$^{-1}$ velocity gradient over a size of $\sim$ 70 au (blue-shifted emission towards the north-west and red-shifted emission towards the south-east) along the disc equatorial plane, in agreement with what was found so far using other molecular tracers. The kinematics of CH$_3$CHO and HDO are consistent with the occurrence of a centrifugal barrier, that is, the infalling envelope-rotating disc ring, which is chemically enriched through low-velocity accretion shocks. The emission radius is $\sim$ 60 au, in good agreement with what was found before for another interstellar complex organic molecule such as NH$_2$CHO. We support a vertical structure for the centrifugal barrier, suggesting the occurrence of two outflowing, expanding, and rotating rings above and below (of about 40-45 au) the optically thick equatorial disc plane. It is tempting to speculate that these rings could probe the basis of a wind launched from this region.

研究の動機と目的

• HH 212原始星の内側70 auにおけるガスの物理的および化学的状態を調査すること。
• 原始星円盤および周囲領域における水（HDO）および複雑な有機分子（CH3CHO）の起源と分布を特定すること。
• 運動学的および組成分析を通じて、観測された放射線が円盤風であるか、降着衝撃領域であるかを評価すること。
• 遠心力障壁（約60 au付近）が化学的豊かさと風の発生源としての可能性を有するという仮説を検証すること。

提案手法

• Cycle 1およびCycle 4にかけて、高感度・高空間分解能のALMA Band 7観測を実施した（空間分解能0.15''（60 au））。
• 14本のCH3CHO（上エネルギー準位：163–215 K）および1本のHDO（上エネルギー準位：335 K）の回転遷移を像として得ることで、ガスの温度、密度、および総密度を調査した。
• CH3CHO放射線に対して局所的熱的平衡（LTE）解析を適用し、励起温度および総密度を導出した。
• HDOに対しては、大速度勾配（LVG）モデルを用いて体積密度および総密度を制約した。
• 円盤の赤道面に沿った位置-速度（PV）図を作成し、運動学的特徴を分析し、回転および吹き出しの兆候を推定した。
• H2総密度を10^24 cm^-2と仮定して、CH3CHOの推定組成比を算出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HH 212原始星の内側70 auにおけるHDOおよびCH3CHOの空間的分布および運動学的特徴は何か？
• RQ2 ガスはどこで化学的に豊かにされ、その原因となる物理的過程（例：衝撃波）は何か？
• RQ3 観測された放射線が、約60 au付近の遠心力障壁に位置する回転し、吹き出す性質を持つリング構造と整合的か？
• RQ4 観測された放射線は、円盤風または降着衝撃領域由来とみなせるか？
• RQ5 導出された物理的条件（温度、密度、組成比）は、低速降着衝撃モデルとどのように比較できるか？

主な発見

• CH3CHOは、上エネルギー準位が163 K〜215 Kの14本の遷移で検出され、ガス温度は78 ± 14 K、総密度は7.6 ± 3.2 × 10^15 cm^-2と推定された。
• H2総密度を10^24 cm^-2と仮定した場合、CH3CHOの組成比はX_CH3CHO ≈ 8 × 10^-9と算出された。
• HDOは335 Kの上エネルギー準位を持つため、H2体積密度がn_H2 ≥ 10^8 cm^-3であると制限され、N(HDO) ≤ 3 × 10^17 cm^-2と推定された。
• CH3CHOおよびHDOの両方で、約70 auの距離にわたる速度勾配（±2 km s^-1）が観測され、北西方向に青シフト、南東方向に赤シフトの特徴が見られ、回転および吹き出しの両方と整合的であった。
• 放射線の半径は約60 auであり、NH2CHOの前回測定値および光学的厚い円盤半径と非常に良く一致しており、遠心力障壁が放射源であることを支持する。
• 円盤平面から40–50 auの範囲で上方および下方に広がる放射線は、遠心力障壁に垂直方向の二重リング構造があることを示しており、円盤風の基部である可能性を示唆している。