[논문 리뷰] APEX observations of supernova remnants - I. Non-stationary MHD-shocks in W44

S. Anderl, A. Gusdorf외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 31.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 66인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 초신성 잔재인 W44의 W44E 및 W44F 영역을 향한 CO 전이(3–2)에서 (7–6)까지의 APEX submillimeter 관측을 통해 분자의 구름에서 비정상적인 MHD 충격을 분석한다. 대규모 속도 기울기 근사법을 사용한 복사전달을 고려한 MHD 충격 모델의 격자에 적합시켜, 관측된 선 방출을 가장 잘 재현하는 것은 충격 속도 20–35 km s⁻¹, 전충격 밀도 10⁴ cm⁻³, 자기장 100–200 μG로, 충격 연령은 1,000–3,000년이며, 각 비드당 충격을 입은 기체 질량은 1–2 M☉이다.

ABSTRACT

Aims. The interaction of supernova remnants (SNRs) with molecular clouds gives rise to strong molecular emission in the far-IR and sub-mm wavelength regimes. The application of MHD shock models in the interpretation of this line emission can yield valuable information on the energetic and chemical impact of supernova remnants. Methods. New mapping observations with the APEX telescope in CO (3-2), (4-3), (6-5), (7-6) and 13CO (3-2) towards two regions in the supernova remnant W44 are presented. Integrated intensities are extracted on five different positions, corresponding to local maxima of CO emission. The integrated intensities are compared to the outputs of a grid of models, which combine an MHD shock code with a radiative transfer module based on the large velocity gradient approximation. Results. All extracted spectra show ambient and line-of-sight components as well as blue- and red-shifted wings indicating the presence of shocked gas. Basing the shock model fits only on the highest-lying transitions that unambiguously trace the shock-heated gas, we find that the observed CO line emission is compatible with non-stationary shocks and a pre-shock density of 10^4 cm-3. The ages of the modelled shocks scatter between values of \sim1000 and \sim3000 years. The shock velocities in W44F are found to lie between 20 and 25 km/s, while in W44E fast shocks (30-35 km/s) as well as slower shocks (\sim20 km/s) are compatible with the observed spectral line energy diagrams. The pre-shock magnetic field strength components perpendicular to the line of sight in both regions have values between 100 and 200 \muG. Our best-fitting models allow us to predict the full ladder of CO transitions, the shocked gas mass in one beam as well as the momentum- and energy injection.

연구 동기 및 목표

• 고주파수 CO 방출을 통해 초신성 잔재에 의해 영향을 받는 분자의 구름의 물리적 및 화학적 조건을 조사하기 위해.
• 특히 submillimeter 영역에서 관측된 CO 선 방출을 재현할 수 있는 충격 모델이 있는지 확인하기 위해.
• 충격 상호작용 영역에서 속도, 연령, 밀도, 자기장 강도 등의 충격 매개변수를 제약하기 위해.
• 충격에 의한 은하간 매질로의 동량 및 에너지 주입을 추정하기 위해.
• 제한된 충격 추적 전이 및 일차원 가정으로 인한 현재 모델링의 한계를 평가하기 위해.

제안 방법

• APEX 망원경을 사용하여 W44의 두 영역인 W44E 및 W44F를 향한 12 CO (3–2), (4–3), (6–5), (7–6), 및 13 CO (3–2)의 맵핑 관측을 수행하였다.
• 두 영역의 CO 방출에서 다섯 개의 국소 최대값에서 통합 선 강도를 추출하여 충격 성분을 분리하였다.
• 대규모 속도 기울기 근사법을 사용한 복사전달 모듈과 결합된 MHD 충격 모델의 격자를 사용하여 선 방출을 시뮬레이션하였다.
• 모델 적합은 가장 높은 에너지 수준의 CO 전이(6–5 및 7–6)만을 사용하여, 충격으로 가열된 기체에 가장 민감한 부분을 중심으로 하였다.
• 스펙트럼 선 에너지 다이어그램과 관측된 선 꼬리 및 비대칭성과의 일관성을 바탕으로 최적의 모델을 선별하였다.
• 일차원 모델링의 한계를 보완하기 위해, 저주파수 CO 방출을 설명하기 위해 추가적인 후행 기체 층을 모델에 추가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 W44 초신성 잔재의 상호작용 영역에서 관측된 CO 선 방출을 가장 잘 재현하는 물리적 조건(밀도, 속도, 자기장)은 무엇인가?
• RQ2 W44의 충격은 비정상적인 MHD 충격 모델과 일치하는가? 그리고 그들의 추정 연령은 무엇인가?
• RQ3 W44E 및 W44F 영역에서 비드당 충격을 입은 기체의 질량, 동량, 에너지 주입은 얼마인가?
• RQ4 W44E 및 W44F 간의 충격 속도와 자기장 강도는 어떻게 다름과 그에 따른 충격 역학에 대한 함의는 무엇인가?
• RQ5 현재 관측 및 모델링은 충격 추적 전이의 제한된 사용으로 인해 얼마나 심각한 다중해석적 문제를 겪는가?

주요 결과

• W44E 및 W44F에서 관측된 CO 선 방출은 약 1,000–3,000년의 비정상적인 MHD 충격에 의해 가장 잘 설명된다.
• 모든 최적 적합 모델에서 W44E 및 W44F 모두의 전충격 기체 밀도는 10⁴ cm⁻³로 제약된다.
• W44F의 충격 속도 범위는 20–25 km s⁻¹이며, W44E는 20–25 km s⁻¹의 모델과 함께 30–35 km s⁻¹의 더 빠른 충격 모델도 일치한다.
• 선의 시야에 수직인 전충격 자기장 강도는 두 영역 모두에서 100–200 μG로 추정되며, W44F는 일관되게 200 μG를 보인다.
• W44E 및 W44F 양쪽 모두에서 비드당 충격을 입은 기체 질량은 1–2 M☉로 추정되며, 이는 상호작용 영역에서 상당한 에너지 소산이 일어나고 있음을 시사한다.
• 비드당 에너지 주입은 1–8 × 10⁴⁵ erg로 추정되며, 동량 주입은 1–5 × 10⁶ M☉ cm s⁻¹로 추정되며, 이는 관측 영역 내 총 초신성 에너지의 일부에 해당한다.