[논문 리뷰] Dust, Ice and Gas in Time (DIGIT) Herschel program first results: A full PACS-SED scan of the gas line emission in protostar DK Cha

T. A. van Kempen, J.D. Green외 43명|arXiv (Cornell University)|2010. 05. 14.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 DIGIT 허셜 핵심 프로그램의 일부로, 중간 질량의 프로스타르 DK Cha의 적외선 외부 스펙트럼에 대한 첫 번째 전체 PACS-SED 스캔을 제시한다. 고해상도 분광법을 사용하여 거의 50개의 분자, 원자 및 이온선을 검출하였으며, 이는 고역동수 CO(최대 J=38-37, Eu/k=4080 K), 물(최대 J=7₀₇, Eu/k=843 K), 그리고 OH(최대 Eu/k=290 K)를 포함한다. 이는 임베디드 단계와 디스크 지배 단계 사이의 전이 단계에 있는, 자외선에 의해 가열되고 충격에 의해 자극된 복잡한 기체 혼합물이 존재함을 드러낸다.

ABSTRACT

DK Cha is an intermediate-mass star in transition from an embedded configuration to a star plus disk stage. We aim to study the composition and energetics of the circumstellar material during this pivotal stage. Using the Range Scan mode of PACS on the Herschel Space Observatory, we obtained a spectrum of DK Cha from 55 to 210 micron as part of the DIGIT Key Program. Almost 50 molecular and atomic lines were detected, many more than the 7 lines detected in ISO-LWS. Nearly the entire ladder of CO from J=14-13 to 38-37 (E_u/k = 4080 K), water from levels as excited as E_u/k = 843 K, and OH lines up to E_u/k = 290 K were detected. The continuum emission in our PACS SED scan matches the flux expected from a model consisting of a star, a surrounding disk of 0.03 Solar mass, and an envelope of a similar mass, supporting the suggestion that the object is emerging from its main accretion stage. Molecular, atomic, and ionic emission lines in the far-infrared reveal the outflow's influence on the envelope. The inferred hot gas can be photon-heated, but some emission could be due to C-shocks in the walls of the outflow cavity.

연구 동기 및 목표

• DK Cha의 환성 환경에서 깊이 임베디드된 프로스타르에서 디스크 지배 시스템으로의 전이 과정 중 물리적 및 화학적 조건을 조사하기 위해.
• 특히 고역동수 분자선을 고려할 때, 환경과 분출 공극 내 기체의 에너지 전환 및 자극 메커니즘을 이해하기 위해.
• 관측된 선 방출이 광자 가열, 충격, 또는 이들의 조합에 의해 발생하는지 확인하기 위해.
• 연속 스펙트럼 SED가 별을 둘러싼 디스크와 유사 질량의 환경을 가진 모델과 일치하는지 테스트하기 위해.
• 허셜의 PACS 기구를 사용하여 적외선 스펙트럼 내 분자, 원자 및 이온 종의 전체 범위를 식별하고 특성화하기 위해.

제안 방법

• 허셜 우주망원경의 광검출기 어레이 카메라 및 분광기(PACS)를 사용하여 55–210 μm 범위의 스펙트럼 스캔 모드로 DK Cha의 전체 PACS-SED 스캔을 수행하였다.
• 연속 스펙트럼을 모델링하기 위해 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 분석하였으며, 별, 디스크(0.03 M⊙), 환경(0.03 M⊙)의 조합 모델로 피팅하였다.
• CO, H2O, OH의 회전 온도를 유도하기 위해 회전도 분석을 사용하였으며, 서로 다른 자극 에너지 수준에서의 별개의 집단을 식별하였다.
• 관측된 선 세기와 자외선 펌프링 및 C-충격 자극 이론 모델을 비교하여 주요 자극 메커니즘을 추론하였다.
• 분출 공극 기하학과 관측 각도(거의 면대면)가 관측된 선 강도와 자극 조건에 미치는 영향을 평가하였다.
• 추가 기능(ice 및 먼지 성분 포함)의 탐지 가능성 평가를 위해 스펙트럼 응답 함수를 재구성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DK Cha의 환성 환경과 분출 공극 내 기체의 자극 온도와 밀도 구조는 어떻게 되어 있는가?
• RQ2 고역동수 CO, H2O, OH 선의 자극을 주도하는 물리적 메커니즘—자외선 조사, C-충격, 또는 기타 과정—는 무엇인가?
• RQ3 관측된 선 세기와 기존의 프로스타르 분출 및 디스크 모델 예측 간의 비교는 어떻게 되는가?
• RQ4 관측된 SED가 디스크와 환경의 질량이 거의 동일한 전이 단계의 천체와 얼마나 일치하는가?
• RQ5 고역동수 분자선은 자외선 가열과 충격 자극의 조합으로 설명될 수 있는가, 아니면 다른 메커니즘이 필요한가?

주요 결과

• 총 48개의 분자, 원자 및 이온선이 검출되었으며, CO 전이선은 J=14-13에서 J=38-37까지(최대 Eu/k = 4080 K)에 걸쳐 검출되어 극도로 높은 자극 조건을 시사한다.
• 물 방출은 J=7₀₇–6₁₆ 전이까지(71.93 μm, Eu/k = 843 K) 검출되어 내부 영역에 고온이고 극도로 자극된 H2O 존재를 확인한다.
• OH 선은 최대 Eu/k = 290 K까지 검출되어 충격 또는 강력한 자외선장과 같은 고에너지 과정 존재를 시사한다.
• 회전도 분석 결과 두 개의 별개 집단이 드러났다: Eu/k < 1500 K인 CO 선은 Tror ≈ 380 K로 가장 잘 맞추어지며, 고역동수 선은 Tror ≈ 1365 K가 필요하다.
• 연속 SED는 중심 항성, 0.03 M⊙의 디스크, 유사 질량의 환경을 가진 모델로 잘 맞추어져 전이 단계 I/II 분류를 지지한다.
• 고역동수 선과 선 세기 비율은 자외선 광자 가열과 비분해성 C-충격 자극이 모두 기여하고 있음을 시사하며, 특히 고역동수 CO 및 H2O 선에서는 C-충격이 주요 기여를 할 가능성이 높다.