[논문 리뷰] Hot Ammonia around O-type Young Stars. I. JVLA imaging of Ammonia (6,6) to (14,14) in NGC7538 IRS1

C. Goddi, Qizhou Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 20.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 40인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 JVLA 관측을 통해 NGC7538 IRS1의 핫 코어에서 고-excited 암모니아 전이션(6,6)에서 (14,14)까지를 맵핑하여, 고질량 청소년별 시스템의 삼중체를 둘러싼 밀도가 높고 회전하는 외곽을 규명하였다. 데이터는 이러한 고-J 선에서 이전에 보고된 바 없는 고도의 굴절률(최대 26)을 보이며, 가장 밀도가 높은 알려진 핫 분자 코어임을 시사하며, 총 기체 질량은 19–34 M⊙이며, 500 AU 이격된 이중성 시스템을 수용하는 순환 외곽에서의 회전 증거가 있다.

ABSTRACT

To constrain theoretical models of high-mass star formation, observational signatures of mass accretion in O-type forming stars are desirable. Using the JVLA, we have mapped the hot and dense molecular gas in the hot core NGC7538 IRS1, with 0.2'' angular resolution, in seven metastable (J=K) inversion transitions of ammonia: (J,K)=(6,6), (7,7), (9,9), (10,10), (12,12), (13,13), and (14,14). These lines arise from energy levels between ~400 K and ~1950 K above the ground state, and are observed in absorption against the HC-HII region associated with NGC7538 IRS1. With a 500 AU linear resolution, we resolve the elongated North-South ammonia structure into two compact components: the main core and a southernmost component. Previous observations of the radio continuum with a 0.08'' (or 200 AU) resolution, resolved in turn the compact core in two (northern and southern) components. These features correspond to a triple system of high-mass YSOs IRS1a, IRS1b, and IRS1c identified with VLBI measurements of methanol masers. The velocity maps of the compact core show a clear velocity gradient in all lines, which is indicative of rotation in a (circumbinary) envelope, containing ~40 solar masses (dynamical mass). In addition, we derived physical conditions of the molecular gas: rotational temperatures ~280 K, ammonia column densities ~1.4-2.5 x 10^19 cm-2, H_2 volume densities ~3.5-6.2 x 10^10 cm-3, and a total gas mass in the range of 19-34 solar masses, for the main core. We conclude that NGC7538 IRS1 is the densest hot molecular core known, containing a rotating envelope which hosts a multiple system of high-mass YSOs, possibly surrounded by accretion disks. Future JVLA observations in the A-configuration are needed to resolve the binary system in the core and may allow to study the gas kinematics in the accretion disks associated with individual binary members.

연구 동기 및 목표

• 이론적 모델에도 불구하고 아직 잘 규명되지 않은 O형 청소년별 주변의 순환 분자 기체의 물리적 조건과 운동학을 규명하는 것.
• 고질량 성간 형성에서 고-J 암모니아 전이선을 통해 은하계 디스크 또는 외곽의 구조를 식별할 수 있는지 시험하는 것.
• 잠재적 상태의 암모니아 선을 사용하여 핫 코어에서의 회전 온도, 총 농도, 기체 밀도 및 질량을 측정하는 것.
• 극한 환경에서 고-excited 암모니아 선의 자극 조건과 굴절률 행동을 조사하는 것.

제안 방법

• 고해상도(0.2 arcsec) JVLA 관측을 통해 (6,6)에서 (14,14)까지의 일곱 개의 잠재적 상태(J=K)의 전환을 맵핑하여, 기저 상태에서 약 400 K에서 약 1950 K 사이의 에너지 수준을 탐색하였다.
• NGC7538 IRS1의 HC-HII 영역를 배경으로 삼아 흡수 피크를 타겟으로 하여 선 굴절률과 자극 조건을 측정하였다.
• 스펙트럼 선 피팅 및 피복선 구조 분석을 통해 굴절률을 유도하였으며, 핵심부의 복잡한 발광 구조를 해소하는 데 중점을 두었다.
• 회전 온도도 다이어그램(RTD)과 전이 간 굴절률 비율을 적용하여 T_rot, NH3 총 농도, H2 부피 밀도를 유도하였다.
• 분할 함수와 볼츠만 분포를 사용하여 국부 열역학적 평형(LTE) 가정 하에 인구 분포를 모델링하였다.
• 연속기록 맵을 25–35 GHz에서 확보하여 암모니아 흡수와 연관시키고, 밀집된 전파 성분을 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 O형 주계열 전조별과 관련된 가장 밀도가 높은 핫 분자 코어의 물리적 조건(온도, 밀도, 질량)은 무엇인가?
• RQ2 관측된 속도 기울기가 순환 외곽 내에서의 회전을 나타내는가, 아니면 이중성 주변의 원환 외곽을 나타내는가?
• RQ3 고질량 성간 형성 영역에서 고-excited 암모니아 선(J=K=6에서 14)의 자극 조건과 굴절률 행동은 어떻게 되는가?
• RQ4 암모니아 흡수의 운동학과 형태는 NGC7538 IRS1의 고질량 YSO 삼중체의 구조를 어떻게 추적하는가?
• RQ5 고-J 암모니아 전이선은 O형 청소년별 주변의 가장 내부이고 밀도가 높은 영역을 신뢰할 수 있는 탐사 도구로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• NGC7538 IRS1의 주요 암모니아 코어는 약 280 K의 회전 온도, 약 1.4–2.5×10^19 cm^-2의 NH3 총 농도, 약 3.5–6.2×10^10 cm^-3의 H2 부피 밀도, 그리고 [NH3]/[H2] = 10^-7를 가정할 경우 총 기체 질량 19–34 M⊙를 가진다.
• 코어에서 1000 AU 떨어진 남쪽의 암모니아 성분은 온도 110 K, H2 밀도 약 0.7–2×10^10 cm^-3, 기체 질량 4–12 M⊙를 가진다.
• 고-excited 암모니아 선의 굴절률은 최대 26에 이르며, 고질량 성간 형성 영역에서 측정된 바 중 가장 높은 편이며, 극도의 굴절 두께를 시사한다.
• 밀도가 높은 코어의 속도장은 모든 전이에서 명확한 기울기를 보이며, 약 40 M⊙(역학적 질량)의 순환 외곽 내에서의 회전과 일치한다.
• 암모니아 흡수선은 전파 연속기록 방출과 정확히 일치하며, 약 500 AU 간격으로 두 개의 성분으로 분리되어 있으며, 전파 연속기록의 북쪽과 남쪽 성분에 해당한다.
• 고질량 YSO 삼중체(IRS1a, IRS1b, IRS1c)가 확인되었으며, 남쪽 성분은 약 –60 km/s, 코어 내 이중성 시스템은 각각 –59 km/s 및 –56.4 km/s의 속도를 가진다.