[논문 리뷰] APEX-CHAMP+ high-J CO observations of low-mass young stellar objects: III. NGC 1333 IRAS 4A/4B envelope, outflow and UV heating

U. A. Yíldíz, L. E. Kristensen외 6명|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 13.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 68인용 수 56

한 줄 요약

이 연구는 APEX-CHAMP+와 Herschel-HIFI를 이용한 고-J CO 선 관측을 통해 NGC 1333 IRAS 4A/4B 원형성계의 따뜻한 기체를 특성화한다. 그 결과, 원형성주변 20 arcsecond 이내에서 자외선 광자 가열과 유동 충격이 따뜻한 기체의 자극에 비슷한 기여를 한다는 것이 밝혀졌다. 관측 데이터는 얼음 고착 영역에서 CO 농도 감소와 내부 CO 농도 감소를 보여주며, 단순한 얼음 sublimation을 넘는 먼지 표면에서의 처리 과정을 시사한다.

ABSTRACT

NGC 1333 IRAS 4A and IRAS 4B sources are among the best studied Stage 0 low-mass protostars which are driving prominent bipolar outflows. Most studies have so far concentrated on the colder parts (T<30K) of these regions. The aim is to characterize the warmer parts of the protostellar envelope in order to quantify the feedback of the protostars on their surroundings in terms of shocks, UV heating, photodissociation and outflow dispersal. Fully sampled large scale maps of the region were obtained; APEX-CHAMP+ was used for 12CO 6-5, 13CO 6-5 and [CI] 2-1, and JCMT-HARP-B for 12CO 3-2 emissions. Complementary Herschel-HIFI and ground-based lines of CO and its isotopologs, from 1-0 upto 10-9 (Eu/k 300K), are collected at the source positions. Radiative-transfer models of the dust and lines are used to determine temperatures and masses of the outflowing and UV-heated gas and infer the CO abundance structure. Broad CO emission line profiles trace entrained shocked gas along the outflow walls, with typical temperatures of ~100K. At other positions surrounding the outflow and the protostar, the 6-5 line profiles are narrow indicating UV excitation. The narrow 13CO 6-5 data directly reveal the UV heated gas distribution for the first time. The amount of UV-heated and outflowing gas are found to be comparable from the 12CO and 13CO 6-5 maps, implying that UV photons can affect the gas as much as the outflows. Weak [CI] emission throughout the region indicates a lack of CO dissociating photons. Modeling of the C18O lines indicates the necessity of a "drop" abundance profile throughout the envelope where the CO freezes out and is reloaded back into the gas phase, thus providing quantitative evidence for the CO ice evaporation zone around the protostars. The inner abundances are less than the canonical value of CO/H_2=2.7x10^-4, indicating some processing of CO into other species on the grains.

연구 동기 및 목표

• 저질량 원형성에서 따뜻한 기체 자극에 기여하는 자외선 광자 가열과 유동 충격의 상대 기여를 정량화하는 것.
• 특히 얼음 고착 및 재처리 영역에서 원형성주변 기체의 CO 농도 구조를 특성화하는 것.
• 충격과 자외선 가열을 구분하는 데 있어 고-J CO 선의 진단적 가치를 평가하는 것.
• 스펙트럼적으로 분해되지 않은 Herschel-SPIRE 데이터를 해석하기 위한 모델링을 통해 스펙트럼적으로 분해된 선형형태를 제약 조건으로 제공하는 것.

제안 방법

• APEX-CHAMP+를 이용해 9 arcsec 해상도에서 12 CO J=6–5에 대해 4×4 arcmin의 고해상도, 완전 샘플링 맵을 확보하였다. 주파수는 650/850 GHz이다.
• 자외선으로 가열된 기체와 탄소 재결합을 추적하기 위해 13 CO J=6–5 및 [C I] J=2–1의 더 작은 맵을 관측하였다.
• JCMT의 HARP-B를 이용해 12 CO J=3–2 맵을 확보하여 저-지선 데이터를 보완하였다.
• 유동 위치에서 깊은 이소토프 종량 관측(예: C18O)을 통해 광학적 두께와 자극 조건을 제약 조건으로 하였다.
• Herschel-HIFI 및 지상 천체망원경에서 확보한 J=1–0부터 J=10–9까지의 선들을 이용해 CO 계단 분석 및 회전 다이어그램을 구성하였다.
• 먼지 및 선 방출의 복사전달 모델을 사용하여 기체 온도, 질량, CO 농도 프로파일을 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRAS 4A/4B의 내부 기체주변에서 관측된 따뜻한 기체에 대해 자외선 광자 가열과 충격 자극의 기여 비율은 어떻게 되는가?
• RQ2 CO 농도는 원형성주변 기체주변에서 어떻게 변화하는가? 특히 CO 얼음 고착 및 기화 영역에서 어떻게 되는가?
• RQ3 원형성 유동과 캐비티 벽에서 고-J CO 선은 충격 가공된 기체를 얼마나 잘 추적하는가? 자외선으로 가열된 기체를 얼마나 잘 추적하는가?
• RQ4 관측된 선형형태와 자극 온도는 먼지 가열과 화학적 처리를 포함한 모델 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이 결과는 유사한 천체에서 스펙트럼적으로 분해되지 않은 Herschel-SPIRE CO 선 데이터를 해석하는 데 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• IRAS 4A 주변 20 arcsecond 이내에서 자외선 광자로 가열된 기체와 유동 충격으로 가열된 기체가 따뜻한 기체의 형성에 비슷한 기여를 하며, 각각 약 100 K의 온도를 가진다.
• 13 CO J=6–5 선은 자외선으로 가열된 기체 분포를 처음으로 직접적으로 드러내며, 더 큰 천체 스케일에서의 비소스 발광에서 주로 지배한다.
• C18O 선의 모델링은 얼음 고착 영역에서 CO 농도 감소가 필요하다는 것을 보여주며, CO 얼음 기화 영역의 위치와 범위에 대한 정량적 증거를 제공한다.
• 내부 CO 농도는 전통적인 값 2.7×10⁻⁴ 이하로, 먼지 표면에서 CO가 다른 물질로 추가 처리된 것을 시사한다.
• 12 CO J=6–5 선은 충격 가공된 기체에 의해 지배되며 자극 온도는 약 100 K이다. 반면 13 CO J=6–5 선은 주로 수동으로 가열된 기체와 자외선으로 가열된 기체를 추적하며, 특히 더 큰 반경에서 두드러진다.
• 스펙트럼적으로 분해되지 않은 Herschel-SPIRE 데이터는 12 CO에서는 충격 가공된 기체에 의해 지배되고, 13 CO에서는 자외선으로 가열된 기체에 의해 지배되며, 스펙트럼 해상도 없이선 선비율의 해석이 제한된다.