[논문 리뷰] Astrochemistry of Sub-Millimeter Sources in Orion: Studying the Variations of Molecular Tracers with Changing Physical Conditions

Doug Johnstone, A. M. S. Boonman외 1명|NPARC|2003. 10. 06.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 68인용 수 57

한 줄 요약

이 연구는 오리온 분자운에서 일곱 개인 마이크로미터 이하의 소스에서 분자 트레이서를 조사하여 분자 선 방출이 물리적 및 화학적 조건과 어떻게 연관되는지 탐구한다. CO, H₂CO, CH₃OH, HCN, HNC, CN, CS, SO 선에 대한 통계적 평형 모델링을 통해, 높은 빛의 강도를 가진 원형성 소스는 CO, H₂CO, CH₃OH, CS의 농도가 높으며, 내부 온도 >50 K 및 밀도 >10⁷ cm⁻³ 가 필요하다는 것을 발견하여, 내재된 원형성 소스에 의해 가열된 따뜻하고 조밀한 외곽을 나타낸다. 충격 영역에서는 CO 선 오염이 60% 이상을 차지하지만 대부분의 소스에서는 10% 미만이며, 에너지가 많은 소스에서는 다른 분자들이 중요한 기여를 한다.

ABSTRACT

Cornerstone molecules (CO, H_2CO, CH_3OH, HCN, HNC, CN, CS, SO) were observed toward seven sub-millimeter bright sources in the Orion molecular cloud in order to quantify the range of conditions for which individual molecular line tracers provide physical and chemical information. Five of the sources observed were protostellar, ranging in energetics from 1 - 500L_sun, while the other two sources were located at a shock front and within a photodissociation region (PDR). Statistical equilibrium calculations were used to deduce from the measured line strengths the physical conditions within each source and the abundance of each molecule. In all cases except the shock and the PDR, the abundance of CO with respect to H_2 appears significantly below (factor of ten) the general molecular cloud value of 10^-4. {Formaldehyde measurements were used to estimate a mean temperature and density for the gas in each source. Evidence was found for trends between the derived abundance of CO, H_2CO, CH_3OH, and CS and the energetics of the source, with hotter sources having higher abundances.} Determining whether this is due to a linear progression of abundance with temperature or sharp jumps at particular temperatures will require more detailed modeling. The observed methanol transitions require high temperatures (T>50 K), and thus energetic sources, within all but one of the observed protostellar sources. The same conclusion is obtained from observations of the CS 7-6 transition. Analysis of the HCN and HNC 4-3 transitions provides further support for high densities n> 10^7 cm^-3 in all the protostellar sources.

연구 동기 및 목표

• 주요 분자 트레이서(CO, H₂CO, CH₃OH, HCN, HNC, CN, CS, SO)가 항성 형성 영역에서 신뢰할 수 있는 진단 도구로 사용될 수 있는 물리적 및 화학적 조건의 범위를 정량화하는 것.
• 오리온의 마이크로미터 이하 소스들에서 빛의 강도, 온도, 밀도의 변화가 분자 농도와 선 자극에 어떤 영향을 미치는지 평가하는 것.
• 특히 850 μm에서의 마이크로미터 연속 방출에 분자 선 기여가 어떤지 평가하는 것.
• 분자 선 비율과 자극 조건을 통해 내재된 원형성 소스의 가열과 외부 PDR 또는 충격에 의한 가열을 구별하는 것.

제안 방법

• 관측된 선 강도에서 물리적 조건(온도, 밀도)과 분자 농도를 유도하기 위해 통계적 평형 계산을 사용하였다.
• 핵심 분자들(예: CO 3–2, H₂CO, CH₃OH, CS 7–6, HCN/HNC 4–3)의 다수의 전이를 관측하여 다양한 자극 및 밀도 영역을 조사하였다.
• 운동학적 구조(예: 분출, 난류)를 추론하기 위해 선 프로파일과 통합 선 강도를 분석하였다.
• 각 소스에서 선 강도를 전체 마이크로미터 영역 방출과 비교하여 850 μm 연속 방출에 대한 분자 선 기여를 정량화하였다.
• 다섯 개의 원형성 소스, 한 개의 충격면, 한 개의 PDR을 포함한 일곱 개의 소스 간 비교 분석을 통해 빛의 강도 및 환경에 따른 추세를 파악하였다.
• 모델링 가정으로는 국부 열역학적 평형(LTE) 근사와 선 자극에 대한 임계 밀도 추정치를 포함하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 오리온의 원형성 소스에서 CO, H₂CO, CH₃OH, CS의 분자 농도는 소스의 빛의 강도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 분자 선 프로파일과 자극 조건이 원형성 소스에서 내재된 가열과 분출 활동을 어느 정도 반영하는가?
• RQ3 분자 선 방출이 850 μm 연속 방출에 기여하는 정도는 얼마이며, 언제 주로 기여하는가?
• RQ4 포름알데히드 및 기타 트레이서에서 유도된 물리적 조건(T, n)은 서로 다른 소스 유형 간에 어떻게 비교되는가?
• RQ5 분자 선 비율(예: [HCN]/[HNC])을 통해 내재된 원형성 소스 가열과 외부 PDR 가열을 구별할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 원형성 소스에서 H₂에 대한 CO 농도는 일반적인 구름 값인 10⁻⁴보다 10배 감소하였다.
• 빛의 강도가 높은 원형성 소스(1–500 L⊙)는 CO, H₂CO, CH₃OH, CS의 농도가 체계적으로 높으며, 내재된 가열과의 상관관계를 시사한다.
• 메탄올과 CS 7–6 전이에서는 한 소스를 제외한 모든 원형성 소스에서 기체 온도 >50 K 가 요구되며, 강한 내재된 가열과 따뜻하고 조밀한 외곽을 나타낸다.
• 모든 원형성 소스는 HCN 및 HNC 4–3 선 프로파일에 의해 확인된 바와 같이 고밀도(n > 10⁷ cm⁻³)를 나타내며, 조밀한 외곽의 구조와 일치한다.
• CO 3–2 선 프로파일은 한 소스를 제외한 모든 소스에서 넓은 날개를 보이며 내재된 분출을 나타내며, 충격 영역에서는 극단적인 운동학적 서식이 관찰된다.
• 충격 영역에서는 CO 선만으로도 850 μm 방출의 66% 이상을 차지하지만, 다른 소스에서는 CO 오염이 10% 미만이지만, 에너지가 많은 소스에서는 다른 분자들이 최대 40% 기여한다.