[論文レビュー] Water in star-forming regions with Herschel (WISH). IV. A survey of low-J H2O line profiles toward high-mass protostars

F. van der Tak, L. Chavarría+5 more|Chalmers Publication Library (Chalmers University of Technology)|Apr 10, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用数 33

ひとこと要約

本研究では、19個の高質量原始星に向けてHerschel/HIFIを用いた低J水線のスペクトロスコピック観測を行い、多ガウス型フィッティングを用いて、包み込み、噴流、前方雲からの発光および吸収成分を分離した。主な発見では、基底状態の水線が星形成効果が最小限の外側包みをトレースしており、明るさや質量に強い傾向は示さない一方、987 GHzの励起状態線はボリオメトリック明るさおよび遠赤外放射フラックスと増加する傾向を示し、温度トレーサーおよび高赤方偏移天体の検出指標としての有用性が示された。

ABSTRACT

To understand the origin of water line emission and absorption during high-mass star formation, we decompose high-resolution Herschel-HIFI line spectra toward 19 high-mass star-forming regions into three distinct physical components. Protostellar envelopes are usually seen as narrow absorptions or emissions in the H2O 1113 and 1669 GHz ground-state lines, the H2O 987 GHz excited-state line, and the H2O-18 1102 GHz ground-state line. Broader features due to outflows are usually seen in absorption in the H2O 1113 and 1669 GHz lines, in 987 GHz emission, and not seen in H2O-18, indicating a low column density and a high excitation temperature. The H2O 1113 and 1669 GHz spectra show narrow absorptions by foreground clouds along the line of sight, which have a low column density and a low excitation temperature, although their H2O ortho/para ratios are close to 3. The intensities of the H2O 1113 and 1669 GHz lines do not show significant trends with luminosity, mass, or age. In contrast, the 987 GHz line flux increases with luminosity and the H2O-18 line flux decreases with mass. Furthermore, appearance of the envelope in absorption in the 987 GHz and H2O-18 lines seems to be a sign of an early evolutionary stage. We conclude that the ground state transitions of H2O trace the outer parts of the envelopes, so that the effects of star formation are mostly noticeable in the outflow wings. These lines are heavily affected by absorption, so that line ratios of H2O involving the ground states must be treated with caution. The average H2O abundance in high-mass protostellar envelopes does not change much with time. The 987 GHz line appears to be a good tracer of the mean weighted dust temperature of the source, which may explain why it is readily seen in distant galaxies.

研究の動機と目的

• 低J水線プロファイルを用いて、高質量原始星環境の物理的および運動的成分を特徴づけること。
• 水線プロファイルにおける原始星包み、双極的噴流、前方雲の寄与を分離すること。
• ボリオメトリック明るさ、包み質量、および遠赤外線フラックス密度に対する水線プロパティの依存性を評価すること。
• 原始星段階における水線プロファイルの進化的傾向を調査すること。
• 線の放射度および励起行動に基づいて、高赤方偏移銀河における水線の検出可能性を評価すること。

提案手法

• Herschel/HIFI機器を用いて、低J水遷移（1113、1669、および987 GHz）のスペクトロスコピック観測が実施された。
• 複雑な線プロファイルを包み、噴流、前方雲からの寄与に分解するために、多ガウス型フィッティングが適用された。
• 1113および1669 GHzの基底状態線は、ボリオメトリック明るさ、包み質量、遠赤外線フラックス密度との傾向を分析した。
• 987 GHzの励起状態線は、源の温度感受性を評価するために、明るさおよび60および100 µmでのFIRフラックスとの相関を調査した。
• 包み質量に伴うH2 18O基底状態線プロファイルの進化を用いて、時間経過に伴う水の含有量の安定性を推定した。
• 中赤外線の明るさおよびL_bol / M_env比を用いて、進化段階を調査し、線プロファイルの形状を源の年齢と関連付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高質量原始星における水線プロファイルは、包み、噴流、前方雲からの寄与をどのように反映しているか？
• RQ2 基底状態の水線の強度または幅は、ボリオメトリック明るさ、包み質量、または遠赤外線フラックス密度と相関するか？
• RQ3 987 GHzの励起状態水線は源の明るさおよび遠赤外線フラックスとどのように変化するか？ これは高赤方偏移検出に何を示唆するか？
• RQ4 包み質量の増加に伴いH2 18O基底状態線の発光から吸収に移行することは、時間経過に伴う水の含有量が一定であることを示唆するか？
• RQ5 水線プロファイルの形態（例：吸収対発光）は、原始星の進化段階に伴ってどのように変化するか？

主な発見

• 1113および1669 GHzの基底状態水線は、ボリオメトリック明るさ、包み質量、遠赤外線フラックス密度との間に顕著な傾向を示さず、星形成効果が最小限の外側包みをトレースしていることを示している。
• 基底状態線の広いウェーブは明確に双極的噴流に関連しており、噴流運動のトレーサーとしての役割を確認した。
• 987 GHzの励起状態水線は、ボリオメトリック明るさおよび60および100 µmでの遠赤外線フラックスと両方とも系統的に増加する傾向を示し、より温かく活発な領域をトレースしていることを示している。
• H2 18O基底状態線は、包み質量の増加に伴い発光から吸収に移行するため、原始星包み内の水の含有量が時間経過に伴い比較的一定であると考えられる。
• 若い原始星（L_bol / M_envが大きい）は、すべての水線で純粋な吸収プロファイルを示すが、より進化した源では1つ以上の線で発光を示すため、線プロファイルの形態に明確な進化が見られる。
• 吸い込みまたは拡張のサイン（P Cygniプロファイル）は進化段階と相関しないため、このサンプルではこのような運動が進化の信頼できる指標ではないことが示唆された。