[논문 리뷰] A dam around the Water Fountain Nebula? The dust shell of IRAS16342-3814 spatially resolved with VISIR/VLT

Tijl Verhoelst, L. B. F. M. Waters외 5명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2009. 06. 04.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 18인용 수 11

한 줄 요약

VISIR/VLT를 사용한 고해상도 중간 적외선 영상 및 스펙트로스코피를 통해 이 연구는 물결 모양의 성운(IRAS16342-3814)의 먼지로 뒤덮인 허리 부분이 13 μm 이하 파장에서조차 어두운 상태로 유지됨을 규명하였으며, 이는 이전에 제기된 타원형 밝기 주장과 정면으로 배치된다. 데이터는 차폐 먼지 구조의 약 145°의 넓은 충만 각도를 보이며, 이는 거의 구형 대칭적인 슈퍼윈드를 시사한다. 이는 주로 형태를 결정짓는 압축된 안정된 먼지 디스크가 아니라, 기존의 구형 바람 속에서 제트에 의해 형성된 공극 구조를 지지하는 결과를 낳는다.

ABSTRACT

Either by collimating a fast stellar wind or by driving a jet via accretion in the central system, dusty torii or stable disks may be crucial ingredients for the shaping of PNe. We study the dust distribution in the very young Proto-Planetary Nebule (PPN) IRAS16342-3814, also known as the Water Fountain Nebula, which is known to show strong bipolar characteristics in the shape of two reflection lobes, and high-velocity collimated molecular outlfows. We use the new Mid-IR (MIR) instrument VISIR on the Very Large Telescope (VLT) both in imaging and spectroscopy mode at wavelengths from 8 to 13 micron. We present the first spatially resolved MIR observations of a dusty evolved star obtained with VISIR and find that the improved spatial resolution contradicts previous claims of an elliptical brightness distribution at the heart of IRAS16342: we find the waist region to be dark even in the MIR. We show that the filling angle of the obscuring dust lane, which is made mostly of amorphous silicates, is very large, possibly even close to a spherically symmetric superwind as seen in OH/IR stars. We conclude that, in contrast to the multitude of recent dusty-disk detections in Post-AGB stars and PNe, IRAS16342 does not show this extreme equatorial density enhancement, at least not on the scale of the dusty environment which lends the object its IR appearance. Rather, it appears that the observed precessing jets are shaping the bipolar nature in the remains of a spherically symmetric AGB superwind.

연구 동기 및 목표

• 고각 해상도를 통해 젊은 프로-행 星간성 성운 IRAS16342-3814의 먼지 형상을 중간 적외선 영역에서 규명하는 것.
• 이전의 광학 및 적외선 관측에서 제기된 바와 같이, 어두운 등반 허리 부분이 조밀하고 안정된 먼지 디스크 또는 토러스일 것이라는 가설을 검증하는 것.
• 관측된 双극형 형상이 디스크에 의한 빔 수렴에 기인하는지, 아니면 기존의 구형 바람 속에서 제트에 의해 형성된 공극에 기인하는지 규명하는 것.
• 공간 해상도가 있는 복사 및 스펙트럼 데이터를 사용하여 차폐 먼지 구조의 기하학적 형태와 광학 깊이를 제약 조건으로 설정하는 것.

제안 방법

• 8에서 13 μm 파장 범위에서 VLT의 VISIR 기구를 사용하여 공간 해상도가 높은 중간 적외선 영상 촬영을 수행하였으며, 11.85 μm 중심에 위치한 SiC 필터와 0.127 arcsec 픽셀 해상도를 사용하였다.
• 4개의 N-대역 필터(8.5, 9.8, 11.4, 12.2 μm)를 사용하여 저해상도 스펙트로스코피를 확보하였으며, 북쪽으로부터 55.4° 동쪽을 향한 32×0.75 arcsec 슬릿을 사용하였다.
• 데이터는 ESO 파이프라인(v1.3.7)을 사용하여 처리하였으며, 보정 별 HD 146051의 MARCS 대기 모델을 사용하여 대기 보정을 적용하였다.
• 차폐 먼지 구조의 충만 각도를 추정하기 위해 간단한 모델을 구축하였으며, 밀도 프로파일을 r⁻²로 가정하고 선형 경로를 따라 광학 깊이를 계산하였다: τ(y,λ) = (ρ₀κ(λ)/y²)(θ/2 ± i), 여기서 θ는 충만 각도이다.
• 모델의 매개변수(충만 각도, 먼지 질량 비율, 입자 크기 분포, 질량 손실률)는 관측된 SED, 양쪽 루프 간의 복사비, 서쪽 루프 스펙트럼에서의 실리케이트 흡수 깊이와 일치시키면서 제약 조건을 설정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRAS16342-3814의 중심 먼지 구조는 압축된 등반 먼지 디스크인지, 아니면 더 넓고 대칭적인 구조인지?
• RQ2 관측된 중간 적외선 밝기 분포는 디스크 기반의 빔 수렴 메커니즘을 지지하는가, 아니면 제트 기반의 공극 형성 모델을 지지하는가?
• RQ3 차폐 먼지 구조의 진정한 충만 각도는 얼마이며, 다른 후-AGB 항성의 알려진 디스크 기하학과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ4 관측된 실리케이트 흡수 및 복사비는 구형 대칭적인 슈퍼윈드에 이중극 공극이 존재할 경우 재현될 수 있는가?

주요 결과

• IRAS16342-3814의 먼지 구조는 고해상도에서 타원형이 아니며, 중간 적외선 영역에서도 어두운 등반 허리 부분을 보이며, 이는 이전에 타원형 밝기 분포가 있다고 주장한 바와 정면으로 배치된다.
• 차폐 먼지 구조의 충만 각도는 최소 110°로 제약 조건이 설정되며, 최적의 모델에서는 145°로 나타나 거의 구형 대칭 분포임을 시사한다.
• 먼지 질량 비율은 실리케이트 대 철의 비율이 5.5이며, 입자 크기 비율(0.1 μm 대 5.0 μm)이 1.5로 설정되며, 이는 비정질 실리케이트와 금속성 철과 일치한다.
• 질량 손실률은 약 ~1×10⁻³ M⊙ yr⁻¹로 추정되며, 중심 항성 쪽으로 30 μm 이하 파장에서 광학 깊이 ≥100을 예측하며, 이는 관측된 SED와 일치한다.
• 관측된 복사는 거의 전적으로 두 개의 이중극 루프에서 기인하며, 이들은 약 160 K에서 열복사하고 있으며, 서쪽 루프는 선로 상 먼지로 인해 중간 정도의 감쇠(τ₁₀μm ≈ 0.5)를 보인다.