[논문 리뷰] Dissecting an intermediate-mass (IM) protostar: Chemical differentiation in IC1396N

A. Fuente, A. Castro‐Carrizo외 7명|arXiv (Cornell University)|2009. 09. 11.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 25인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 중간질량 협성성성성성성 IC1396 N에서 3.1 mm 및 분자선(N₂H⁺, CH₃CN, ¹³CS)을 이용한 고해상도 ALMA 유사 간섭계 관측을 통해 물리적·화학적 분리를 규명한다. [CH₃CN]/[N₂H⁺] 비율은 20 K에서 100 K로 상승함에 따라 다섯 자리 수준으로 증가하여 온도 의존적 화학층화를 드러내며, CH₃CN은 따뜻한 내부 영역(IRAM 2A)에서 지배를 하며, N₂H⁺는 더 차가운 외부 토이로이드 기체를 추적한다. 이는 IRAM 2A가 다량의 Be 항성 전구체가 아니라 저-중간질량(헤르비그 Ae) 항성일 가능성이 높음을 시사한다.

ABSTRACT

We have carried out high-angular resolution (1.4") observations in the continuum at 3.1mm and in the N2H+ 1-0, CH3CN 5_k-4_k and 13CS 2-1 lines using the Plateau de Bure Interferometer (PdBI) towards the intermediate mass (IM) protostar IRAS21391+5802 (IC1396N). In addition, we have merged the PdBI images with previous BIMA (continuum data at 1.2mm and 3.1mm) and single-dish (N2H+ 1-0) data to have a comprehensive description of the region. The combination of our data with BIMA and 30m data show that the bipolar outflow associated has completely eroded the initial molecular globule. The 1.2mm and 3.1mm continuum emissions are extended along the outflow axis tracing the warm walls of the biconical cavity. Most of the molecular gas, however, is located in an elongated feature in the direction perpendicular to the outflow. A strong chemical differentiation is detected across the molecular toroid, with the N2H+ 1-0 emission absent in the inner region.This chemical differentiation can be understood in terms of the different gas kinetic temperature. The [CH3CN]/[N2H+] ratio increases by 5 orders of magnitude with gas temperature, for temperatures between 20K and 100K. The CH3CN abundance towards IRAM 2A, the most massive protostellar core, is similar to that found in hot corinos and lower than that expected towards IM and high mass hot cores. This could indicate that IRAM 2A is a low mass or at most Herbig Ae star (IRAM 2A) instead of the precursor of a massive Be star. Alternatively, the low CH3CN abundance could also be the consequence of IRAM 2A being a Class 0/I transition object which has already formed a small photodissociation region (PDR).

연구 동기 및 목표

• 중간질량 협성성성성성 IRAS 21391+5802(=IC1396 N)에서 약 1000 AU 척도에서 물리적 구조와 화학적 분리를 탐구하기 위해.
• 분자선 및 연속방출을 이용하여 중심 협성성성성핵의 진화 상태와 질량을 규명하기 위해.
• 기체 온도가 협성성성성환경의 화학적 구조를 어떻게 형성하는지 조사하기 위해.
• 분자 농도 비율을 바탕으로 IRAM 2A가 저질량 또는 중간질량 협성성성성인지, 아니면 다량의 Be 항성 전구체인지 평가하기 위해.

제안 방법

• 3.1 mm 연속방출 및 N₂H⁺ 1→0, CH₃CN 5k→4k, ¹³CS 2→1 선에서 고각해상도(1.4") 관측을 플라토 데 부르 간섭계(PdBI)를 이용해 수행하였다.
• 전체 공간 동적 범위 확보를 위해 PdBI 자료에 약 1.2 mm 및 3.1 mm 연속방출, N₂H⁺ 1→0 선의 기록된 BIMA 자료와 단일 안테나 30m 천체망원경 자료를 통합하였다.
• [CH₃CN]/[N₂H⁺] 농도 비율을 화학적 온도계로 활용하였으며, 이 비율은 온도에 매우 민감하여 20 K에서 100 K로 상승할 때 다섯 자리 수준으로 증가한다.
• 연속방출 및 분자선 방출의 형태를 분석하여 협성성성성핵(먼지 연속방출 및 CH₃CN)과 확장된 덩어리(N₂H⁺만 존재)를 구별하였다.
• 기체의 운동온도 기울기를 바탕으로 화학적 구조를 모델링하였으며, 관측된 화학적 분리가 협성성성성열에 의한 열적 추적으로 해석되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IC1396 N의 중간질량 협성성성성에서 약 1000 AU 척도에서 물리적 구조와 온도 분포는 어떻게 되는가?
• RQ2 이중성 방출에 수직인 방향으로 분자 토이로이드의 화학 조성이 어떻게 변화하는가?
• RQ3 중심 협성성성성핵 IRAM 2A의 진화 상태는 무엇이며, 다량의 Be 항성 전구체와 일치하는가?
• RQ4 [CH₃CN]/[N₂H⁺] 농도 비율이 중간질량 협성성성성 환경에서 기체 운동온도를 신뢰할 만한 추적자로 사용할 수 있는가?
• RQ5 IC1396 N의 에너지가 큰 이중성 방출의 기원과 추진 메커니즘은 무엇이며, 주요 소스가 되는 핵은 어느 것인가?

주요 결과

• 이중성 방출은 초기 분자 구름을 완전히 제거하였으며, 1.2 mm 및 3.1 mm 연속방출은 방출축을 따라 이중구형 공극 벽면의 따뜻한 영역을 추적한다.
• 대부분의 분자 기체는 방출축에 수직인 길쭉한 구조에 집중되어 있으며, 공극 벽면을 따라 분자 토이로이드를 형성한다.
• 명백한 화학적 분리가 관측된다: CH₃CN 방출은 내부 따뜻한 영역(IRAM 2A)에서 강하며, N₂H⁺ 방출은 내부 영역에서는 없지만 외부 차가운 토이로이드에서는 두드러진다.
• [CH₃CN]/[N₂H⁺] 농도 비율은 기체 온도가 20 K에서 100 K로 상승함에 따라 다섯 자리 수준으로 증가하여, 이 비율이 화학적 온도계로서의 유용성을 확인한다.
• IRAM 2A 방향의 CH₃CN 농도는 약 10⁻¹⁰이며, 이는 핫 코리노와 유사하고 중간 또는 고질량 핫 코어에서 예상되는 것보다 낮다.
• 이 낮은 CH₃CN 농도는 IRAM 2A가 다량의 Be 항성 전구체가 아니라 저-중간질량(헤르비그 Ae) 항성일 가능성이 높거나, 광분해 영역이 형성 중인 Class 0/I 전이 물체일 가능성을 시사한다.