[논문 리뷰] Hot Ammonia around Young O-type Stars. II. JVLA imaging of highly-excited metastable ammonia masers in W51-North

C. Goddi, C. Henkel외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 04.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 32인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 JVLA 1 cm 대역 간섭계 영상 기법을 사용하여 W51-North 내에서 고도로 자극된 비활성 암모니아 (NH₃) 마저를 해상도 높게 분석하였으며, (6,6), (7,7), (9,9) 전이에서 피크 브라이트니스 온도가 10⁴ K 이상인 마저를 검출하였다. 마저들은 SiO 마저 및 H₂O 마저에서 0.65″(3500 AU) 떨어져 있어, W51-North의 보조성분이 NH₃ 마저를 자극하고 있을 가능성이 있으며, 이는 순환 이중성 원반에서의 적외선 펌프링에 의해 발생할 것으로 보인다.

ABSTRACT

We have used the JVLA at the 1 cm band to map five highly-excited metastable inversion transitions of ammonia, (J,K)=(6,6), (7,7), (9,9), (10,10), and (13,13), in W51 IRS2 with ~0.2 angular resolution. We present detections of both thermal (extended) ammonia emission in the five inversion lines, with rotational states ranging in energy from about 400 to 1700 K, and point-like ammonia maser emission in the (6,6), (7,7), and (9,9) lines. The thermal ammonia emits around a velocity of 60 km/s, near the cloud's systemic velocity, is elongated in the east-west direction across 4" and is confined by the HII regions W51d, W51d1, and W51d2. The ammonia masers are observed in the eastern tip of the dense clump traced by thermal ammonia, offset by 0.65" to the East from its emission peak, and have a peak velocity at ~47.5 km/s. No maser components are detected near the systemic velocity. The ammonia masers are separated by 0.65" (3500 AU) from the (rare) vibrationally-excited SiO masers, excited by the deeply-embedded YSO W51-North. This excludes that the two maser species are excited by the same object. Interestingly, the ammonia masers originate at the same sky position as a peak in a submm line of SO2 imaged with the SMA, tracing a face-on circumstellar disk/ring around W51-North. In addition, the thermal emission from the most highly excited ammonia lines, (10,10) and (13,13), shows two main condensations, the dominant one towards W51-North with the SiO/H2O masers, and a weaker peak at the ammonia maser position. We propose a scenario where the ring seen in SO2 emission is a circumbinary disk surrounding (at least) two high-mass YSOs, W51-North (exciting the SiO masers) and a nearby companion (exciting the ammonia masers), separated by 3500 AU. This finding indicates a physical connection (in a binary) between the two rare SiO and ammonia maser species.

연구 동기 및 목표

• W51 IRS2 고질량 성형 영역 내에서 고도로 자극된 비활성 NH₃ 마저의 공간적 기원을 규명하는 것.
• W51-North에서 NH₃ 마저와 다른 마저 종류(예: SiO, H₂O) 사이의 물리적 연관성을 규명하는 것.
• 마저가 단일 원형성성성체에서 발생하는지, 아니면 이중성 시스템에서 발생하는지 확인하는 것.
• 고질량 젊은 별성 환경에서 희귀한 고J NH₃ 마저의 펌프 메커니즘을 조사하는 것.

제안 방법

• 1 cm 대역에서 JVLA를 사용하여 (J,K) = (6,6), (7,7), (9,9), (10,10), (13,13)의 다섯 가지 비활성 NH₃ 전이에 대해 고해상도(0.2″) 간섭계 영상 촬영을 수행하였다.
• 마저 성질을 확인하기 위해 피크 브라이트니스 온도를 측정하였으며, (6,6) 전이의 경우 >1.7×10⁵ K, (7,7) 전이의 경우 >6×10³ K, (9,9) 전이의 경우 >1×10⁴ K의 값을 기록하였다.
• 이전 VLA 관측에서 확보된 SiO 및 H₂O 마저 위치와 NH₃ 마저의 공간적 및 속도적 위치를 비교하였다.
• 밀도 높은 기체 구조를 추적하고 마저 위치와의 상관관계를 분석하기 위해 열적 NH₃ 방출을 분석하였다.
• SMA에서 확보한 SO₂ submillimeter 선 데이터를 활용하여 NH₃ 마저 위치에서 원형성성원반/고리의 존재를 확인하였다.
• 이중성 시스템을 포함하는 물리적 모델을 제안하였으며, 두 개의 YSO가 3500 AU 떨어져 있으며, 보조성체가 적외선 복사에 의해 NH₃ 마저를 자극한다고 보았다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고도로 자극된 비활성 NH₃ 마저는 W51-North 영역 내에서 어디에 위치해 있으며, 다른 마저 종류와 어떤 관계가 있는가?
• RQ2 NH₃ 마저 방출은 SiO 마저와 공간적 및 운동학적으로 연관되어 있는가? (SiO 마저는 W51-North에서 고속 이완형 분출을 추적한다.)
• RQ3 관측된 마저 방출은 단일 원형성성성체로 설명될 수 있는가, 아니면 이중성 시스템이 필요한가?
• RQ4 희귀한 고J NH₃ 마저의 증폭을 일으키는 펌프 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 NH₃ 마저와 submillimeter 파장에서 관측된 SO₂ 방출 원환형성성원반/고리 사이에 물리적 연관성이 있는가?

주요 결과

• (6,6), (7,7), (9,9) NH₃ 전이에서 점원형 마저 방출이 관측되었으며, 각각 피크 브라이트니스 온도가 1.7×10⁵ K, 6×10³ K, 1×10⁴ K로 확인되어 마저 성질을 확인하였다.
• NH₃ 마저는 열적 NH₃ 방출의 피크에서 0.65″(3500 AU) 동쪽에 위치해 있으며, 라디얼 속도는 약 47.5 km s⁻¹로, 시스템의 기준 속도 60 km s⁻¹와 다릅니다.
• NH₃ 마저는 SiO 및 H₂O 마저에서 공간적으로 떨어져 있어, W51-North에서 고속 이완형 분출을 추적하는 동일한 원형성성성체에 의해 직접 자극된 것이 아님을 시사한다.
• NH₃ 마저는 SO₂ 방출의 피크 위치와 일치하며, 이는 W51-North 주변에 순환 이중성 원반/고리가 존재하고 보조성체 YSO가 존재할 가능성을 시사한다.
• 열적 방출에서 (10,10) 및 (13,13) 전이의 경우 두 개의 응집체를 보였는데, 하나는 W51-North(즉, SiO/H₂O 마저 위치)에 있으며, 다른 하나는 NH₃ 마저 위치에 약한 피크로 나타났다.
• 세 개의 비활성 NH₃ 마저 선의 공간적 및 운동학적 연관성과 함께 연중 약 0.2 km s⁻¹ yr⁻¹의 일정한 속도 이동을 고려할 때, 이 희귀 마저 종류들이 이중성 시스템 내에서 물리적으로 연관되어 있음을 지지한다.