[논문 리뷰] ATLASGAL-selected massive clumps in the inner Galaxy: VI. Kinetic temperature and spatial density measured with formaldehyde

Xindi Tang, C. Henkel외 12명|Repository of the Academy's Library (Library of the Hungarian Academy of Sciences)|2017. 11. 27.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 106인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 내부 은하수의 거대한 ATLASGAL 선택 클러스터 100개에서 APEX 망원경을 사용해 관측한 포름알데히드(H₂CO) 방출선을 통해 운동온도와 공간 밀도를 유도한다. 고온의 운동온도(43–>300 K, 평균 91 ± 4 K)와 중간 밀도(0.6–8.3 × 10⁶ cm⁻³, 평균 1.5 × 10⁶ cm⁻³)를 발견하였으며, H₂CO는 NH₃나-dust보다 더 따뜻은 기체를 추적함을 보여주고, 네 개의 온도 범위에 걸쳐 H₂CO 선 빛의 세기와 볼로메트릭 빛의 세기 사이에 강한 상관관계를 보이며, 고질량 항성 형성에서 따뜻하고 조밀한 기체 질량의 신뢰할 수 있는 추적자로 H₂CO가 사용될 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We aim to directly determine the kinetic temperature and spatial density with formaldehyde for the $\sim$100 brightest ATLASGAL-selected clumps at 870 $μ$m representing various evolutionary stages of high-mass star formation. Ten transitions ($J$ = 3-2 and 4-3) of ortho- and para-H$_2$CO near 211, 218, 225, and 291 GHz were observed with the APEX 12 m telescope. Using non-LTE models with RADEX, we derive the gas kinetic temperature and spatial density using the measured p-H$_2$CO 3$_{21}$-2$_{20}$/3$_{03}$-2$_{02}$, 4$_{22}$-3$_{21}$/4$_{04}$-3$_{03}$, and 4$_{04}$-3$_{03}$/3$_{03}$-2$_{02}$ ratios. The gas kinetic temperatures derived from the p-H$_2$CO 3$_{21}$-2$_{20}$/3$_{03}$-2$_{02}$ and 4$_{22}$-3$_{21}$/4$_{04}$-3$_{03}$ line ratios are high, ranging from 43 to $>$300 K with an unweighted average of 91 $\pm$ 4 K. Deduced $T_{ m kin}$ values from the $J$ = 3-2 and 4-3 transitions are similar. Spatial densities of the gas derived from the p-H$_2$CO 4$_{04}$-3$_{03}$/3$_{03}$-2$_{02}$ line ratios yield 0.6-8.3 $ imes$ 10$^6$ cm$^{-3}$ with an unweighted average of 1.5 ($\pm$0.1) $ imes$ 10$^6$ cm$^{-3}$. A comparison of kinetic temperatures derived from p-H$_2$CO, NH$_3$, and the dust emission indicates that p-H$_2$CO traces a distinctly higher temperature than the NH$_3$ (2,2)/(1,1) transitions and the dust, tracing heated gas more directly associated with the star formation process. The H$_2$CO linewidths are found to be correlated with bolometric luminosity and increase with the evolutionary stage of the clumps, which suggests that higher luminosities tend to be associated with a more turbulent molecular medium. It seems that the spatial densities measured with H$_2$CO do not vary significantly with the evolutionary stage of the clumps. However, averaged gas kinetic temperatures derived from H$_2$CO increase with time through the evolution of the clumps.

연구 동기 및 목표

• 포름알데히드(H₂CO) 선 비율을 사용하여 고질량 항성 형성 클러스터의 운동온도와 공간 밀도를 직접 측정하기.
• 고질량 항성 형성 과정에서 조밀한 기체의 물리적 조건을 추적하는 데 H₂CO의 신뢰성 평가하기.
• 고질량 클러스터의 진화 단계에 따라 온도, 밀도 및 선 빛의 세기 변화를 연구하기.
• NH₃ 및 먼지 방출과의 비교를 통해 클러스터의 열적 구조 이해하기.
• H₂CO 선 빛의 세기와 볼로메트릭 빛의 세기 사이의 관계를 설정하여 따뜻하고 조밀한 기체 질량을 진단하는 데 활용하기.

제안 방법

• 211–291 GHz 범위에서 오르토- 및 파라-H₂CO의 10개의 H₂CO 전이선(J = 3–2 및 4–3)을 APEX 12m 망원경을 사용해 관측하였다.
• 관측된 선 강도 비율에서 운동온도와 공간 밀도를 유도하기 위해 비-LTE 복사전달 모델(RADEX)을 사용하였다.
• 온도는 파라-H₂CO 3₂₁–2₂₀ / 3₀₃–2₀₂ 및 4₂₂–3₂₁ / 4₀₄–3₀₃ 비율에서 유도하였으며, 밀도는 4₀₄–3₀₃ / 3₀₃–2₀₂ 비율에서 유도하였다.
• 유도된 온도를 NH₃(2,2)/(1,1) 전이선과 먼지 스펙트럼 에너지 분포(SED) 피팅 결과와 비교하였다.
• H₂CO 선 빛의 세기, 볼로메트릭 빛의 세기, 클러스터의 진화 단계 간의 상관관계를 분석하였다.
• TOP100 샘플 전반의 중앙값 물리적 파라미터를 보고하기 위해 무게 조정이 없는 평균을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내부 은하수의 다양한 진화 단계를 거친 거대 클러스터에서 조밀한 기체의 운동온도와 공간 밀도는 무엇인가?
• RQ2 동일한 클러스터에서 H₂CO로 유도된 온도는 NH₃ 및 먼지 방출로 유도된 온도와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 클러스터 샘플 전반에서 H₂CO 선 빛의 세기와 볼로메트릭 빛의 세기 사이에 상관관계가 존재하는가?
• RQ4 클러스터의 진화 단계에 따라 운동온도와 공간 밀도는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 H₂CO 선 빛의 세기는 고질량 항성 형성 영역에서 따뜻하고 조밀한 분자 기체 질량을 신뢰성 있게 추적할 수 있는가?

주요 결과

• 파라-H₂CO 선 비율에서 유도된 운동온도는 43 K에서 >300 K 사이이며, 무게 조정 없는 평균은 91 ± 4 K이다.
• 파라-H₂CO 4₀₄–3₀₃ / 3₀₃–2₀₂ 비율에서 유도된 공간 밀도는 0.6–8.3 × 10⁶ cm⁻³의 범위를 가지며, 평균은 1.5 × 10⁶ cm⁻³이다.
• H₂CO는 NH₃(2,2)/(1,1) 전이선과 먼지보다 훨씬 높은 온도를 추적함을 보여주며, 내재된 고질량 항성에 의해 직접 가열된 기체를 추적함을 시사한다.
• H₂CO 선의 너비는 볼로메트릭 빛의 세기와 진화 단계에 따라 증가하며, 더 진화하고 빛이 강한 클러스터에서 난류가 증가함을 시사한다.
• L_bol / M_clump ≥ 10 L☉/M☉일 경우, 기체의 운동온도와 L_bol / M_clump 비율 사이에 근사적인 상관관계가 존재하며, 이는 온도가 진화 단계를 따라 변화함을 시사한다.
• H₂CO 선 빛의 세기는 네 개의 온도 범위에 걸쳐 볼로메트릭 빛의 세기와 선형 상관관계를 보이며, 고질량 항성 형성에서 따뜻하고 조밀한 기체 질량을 추적하는 데 H₂CO의 신뢰성 있는 추적자로 사용될 수 있음을 뒷받침한다.