[論文レビュー] Water in star-forming regions with Herschel (WISH): II. Evolution of 557 GHz 110-101 emission in low-mass protostars

L. E. Kristensen, E. F. van Dishoeck+23 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 111被引用数 129

ひとこと要約

本研究では、ハーシェル/HIFIを用いた29個の低質量原始星におけるスペクトル分解能付き557 GHz H₂O 1₁₀–1₀₁線放出の最初の体系的調査を実施した。その結果、原始星の段階が進むに従い、Class 0ではアウトフロー成分が支配的である水の放出が観測され、Class Iでは弱く、拡張する包層が支配的になることが明らかになった。主な発見は、明確な進化的傾向が存在することである。より若いClass 0原始星では、吸い込みのシグネチャを伴う強力なアウトフロー駆動水放出が観測され、一方Class I原始星では弱く、拡張する包層が支配的で、アウトフロー活動が弱まっていることが示された。

ABSTRACT

(Abridged) Water is a key tracer of dynamics and chemistry in low-mass protostars, but spectrally resolved observations have so far been limited in sensitivity and angular resolution. In this first systematic survey of spectrally resolved water emission in low-mass protostellar objects, H2O was observed in the ground-state transition at 557 GHz with HIFI on Herschel in 29 embedded Class 0 and I protostars. Complementary far-IR and sub-mm continuum data (including PACS data from our program) are used to constrain the spectral energy distribution of each source. H2O intensities are compared to inferred envelope and outflow properties and CO 3-2 emission. H2O emission is detected in all objects except one. The line profiles are complex and consist of several kinematic components. The profiles are typically dominated by a broad Gaussian emission feature, indicating that the bulk of the water emission arises in outflows, not the quiescent envelope. Several sources show multiple shock components in either emission or absorption, thus constraining the internal geometry of the system. Furthermore, the components include inverse P-Cygni profiles in 7 sources (6 Class 0, 1 Class I) indicative of infalling envelopes, and regular P-Cygni profiles in 4 sources (3 Class I, 1 Class 0) indicative of expanding envelopes. "Bullets" moving at >50 km/s are seen in 4 Class 0 sources; 3 of these are new detections. In the outflow, the H2O/CO abundance ratio as a function of velocity is nearly the same for all sources, increasing from 10^-3 at <5 km/s to >10^-1 at >10 km/s. The H2O abundance in the outer envelope is low, ~10^-10. The different H2O profile components show a clear evolutionary trend: in the Class 0 sources, emission is dominated by outflow components originating inside an infalling envelope. When the infall diminishes during the Class I phase, the outflow weakens and H2O emission disappears.

研究の動機と目的

• 低質量原始星の異なる進化段階における水放出の運動学的構造を特徴づけること。
• H₂O線プロファイルが示す物理的成分（吸い込み、アウトフロー、拡張）を区別すること。
• 原始星の進化に伴う水の豊度と励起状態の変化を調査すること。
• 衝撃波と包層密度が星形成領域におけるH₂O放出に与える影響を特定すること。
• H₂O線プロファイルを包層の運動学とアウトフロー活動と結びつけ、特にClass 0とClass I原始星における相違を明らかにすること。

提案手法

• ハーシェル宇宙望遠鏡搭載の遠赤外混合器（Heterodyne Instrument for the Far-Infrared: HIFI）を用いた、557 GHz H₂O 1₁₀–1₀₁遷移の一点スペクトロフォトメトリック観測。
• 各源のスペクトルエネルギー分布（SED）を構築するために、PACSおよび他の機器による補足的遠赤外・ミリ波長帯の連続スペクトルデータを用いた。
• 運動学的成分（広帯のアウトフロー、狭帯の吸い込み／拡張、吸収）への線プロファイル分解を実施し、物理的領域を同定した。
• 逆P-Cygniプロファイルと通常P-Cygniプロファイルをモデル化し、吸い込み速度、拡張速度、質量降着率を推定した。
• H₂OとCOの励起状態が類似していると仮定して、速度関数としてのH₂O/CO豊度比を導出した。
• 包層密度とアウトフロー力（力）を代理変数として用い、物理的条件がH₂O放出に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Class 0からClass Iへの進化段階にわたるH₂O 557 GHz線放出の形態は、どのように変化するか？
• RQ2 H₂O線プロファイルの異なる特徴が、どの物理的成分（吸い込み、アウトフロー、拡張）を示しているか？
• RQ3 線の外縁部におけるH₂O/CO豊度比は速度にどのように依存するか？また、Class 0とClass I源で差異があるか？
• RQ4 衝撃波はアウトフローにおけるH₂O豊度の増加に果たす役割は何か？また、包層密度とはどのように関係するか？
• RQ5 P-Cygniプロファイルから推定される吸い込み速度および拡張速度は、原始星の年齢と光度に伴いどのように変化するか？

主な発見

• TMC1Aを除く29個の低質量原始星すべてでH₂O放出が検出され、複雑な線プロファイルは広帯のガウシアン成分が支配的であり、アウトフロー放出を示していることが判明した。
• 逆P-Cygniプロファイル（吸い込みシグネチャ）は6つのClass 0および1つのClass I源で観測され、推定される吸い込み速度は約0.1–1.0 km s⁻¹、質量降着率は約10⁻⁶–10⁻⁴ M☉ yr⁻¹であった。
• 通常P-Cygniプロファイル（拡張シグネチャ）は主にClass I源に見られ、拡張速度は約0.5 km s⁻¹、分散時間尺度は短い（約10⁴年）であり、一時的段階である可能性が示唆された。
• 4つのClass 0源で、50 km s⁻¹以上の速度で移動する分子弾丸が検出され、そのうち3つは以前にこのような特徴を有すると分かっていなかった。
• H₂O/CO豊度比は、低速度域（<5 km s⁻¹）で約10⁻³から、高速域（>10 km s⁻¹）で≥10⁻¹に増加し、Class 0とClass I源で有意な差異は認められなかった。
• 外側の冷たい包層における水の豊度は低く、約10⁻¹⁰であり、Class 0源では吸収特徴が主に飽和していた。これは外側包層の低豊度と初期段階での強い吸い込み支配を確認するものである。