[논문 리뷰] JOYS: Disentangling the warm and cold material in the high-mass IRAS 23385+6053 cluster

C. Gieser, H. Beuther외 21명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 19.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 3인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 JWST/MIRI 및 NOEMA 관측을 통해 고질량 원형성성성 IRAS 23385+6053의 난방된(200–400 K) 및 냉각된(<100 K) 기체 성분을 분리한다. 충격에 의해 구동되는 다수의 유출이 존재하며, [Fe ii] 및 [Ni ii]로 표시되는 J형 충격과 H2 및 [S i] 발광으로 나타나는 C형 충격이 확인된다. 강력한 유출에도 불구하고 냉각된 외곽은 그대로 유지되어 계속되는 별 형성 가능성을 보여준다.

ABSTRACT

(abridged) We study and compare the warm (&gt;100 K) and cold (&lt;100 K) material toward the high-mass star-forming region IRAS 23385+6053 (IRAS 23385 hereafter) combining high angular resolution observations in the mid-infrared (MIR) with the JWST Observations of Young protoStars (JOYS) project and with the NOEMA at mm wavelengths at angular resolutions of 0.2"-1". The spatial morphology of atomic and molecular species is investigated by line integrated intensity maps. The temperature and column density of different gas components is estimated using H2 transitions (warm and hot component) and a series of CH3CN transitions as well as 3 mm continuum emission (cold component). Toward the central dense core in IRAS 23385 the material consists of relatively cold gas and dust (~50 K), while multiple outflows create heated and/or shocked H2 and show enhanced temperatures (~400 K) along the outflow structures. An energetic outflow with enhanced emission knots of [Fe II] and [Ni II] hints at J-type shocks, while two other outflows have enhanced emission of only H2 and [S I] caused by C-type shocks. The latter two outflows are also more prominent in molecular line emission at mm wavelengths (e.g., SiO, SO, H2CO, and CH3OH). Even higher angular resolution data are needed to unambiguously identify the outflow driving sources given the clustered nature of IRAS 23385. While most of the forbidden fine structure transitions are blueshifted, [Ne II] and [Ne III] peak at the source velocity toward the MIR source A/mmA2 suggesting that the emission is originating from closer to the protostar.

연구 동기 및 목표

• 고질량 성성 영역 IRAS 23385+6053 내에서 난방된 및 냉각된 기체 성분의 공간 분포를 규명하는 것.
• 중간 적외선 및 밀리미터 파장에서의 발광선 진단을 통해 충격 유형(J형 vs. C형)을 식별하는 것.
• 유출이 주변 매질을 난방하고 화학적으로 풍부하게 하는 데 미치는 역할을 규명하는 것.
• 에너지가 강한 유출에도 불구하고 냉각되고 밀도가 높은 외곽이 어떻게 유지되고 있는지 평가하는 것.
• 고질량 원형성성 환경을 이해하는 데 있어 MIR 및 mm 선의 진단 능력을 평가하는 것.

제안 방법

• JWST/MIRI 중간 해상도 스펙트로미터(MRS)를 사용하여 금지 전이 및 H2 회전선을 맵핑하기 위해 고각해상도 MIR 데이터를 확보하였다.
• NOEMA의 밀리미터 파장 데이터를 결합하여 분자선(예: CH3CN, SiO, SO, H2CO, CH3OH) 및 3 mm 연속성 발광을 관측하였다.
• 원자 및 분자 종의 공간 형태를 분석하기 위해 선 통합 강도 맵을 사용하였다.
• H2 및 CH3CN 전이의 복사전달 모델링을 통해 기체 온도 및 열량 밀도를 추정하였다.
• 블루시프트된 발광 특징을 유출 운동학 및 소스 속도와 연관지어 흥분 메커니즘을 추론하였다.
• MIR 및 mm 데이터를 비교하여 MIR 유출의 분자 대응체를 식별하고 충격 구조를 추적하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRAS 23385+6053 내에서 난방된 및 냉각된 기체의 공간 분포와 물리 조건(온도, 밀도)은 어떠한가?
• RQ2 어떤 충격 유형(J형 또는 C형)이 존재하며, 발광선 진단을 통해 어떻게 식별되는가?
• RQ3 JWST로 관측된 MIR 유출은 밀리미터 파장에서 관측된 분자 유출과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ4 중앙 원형성성성(소스 A/mmA2)은 관측된 유출을 어떻게 구동하고 공급하는가?
• RQ5 강력한 유출에도 불구하고 냉각되고 밀도가 높은 외곽이 얼마나 유지되고 있으며, 계속되는 별 형성에 유리한 조건을 유지하는가?

주요 결과

• IRAS 23385+6053의 중심 밀도 높은 코어는 약 50 K에서 냉각된 기체와 먼지로 구성되어 있으며, H2 열량 밀도는 약 10^24 cm⁻²이다.
• 다수의 이중성 유출이 기체를 난방하고 충격을 주며, 특히 H2 및 [S i] 발광에서 기록된 유출 구조에서 온도가 약 400 K에 도달한다.
• 에너지가 강한 유출(유출 III)은 [Fe ii] 및 [Ni ii] 발광 덩어리가 강하게 나타나, 이는 이전의 다수의 유출 폭발로 인한 J형 충격을 나타낸다.
• 다른 두 유출은 H2 및 [S i] 발광만을 보이며, C형 충격과 일치하며, SiO, SO, H2CO, CH3OH 등의 밀리미터 분자선에서 더 두드러진다.
• [Ne ii] 및 [Ne iii] 선은 MIR 소스 A/mmA2의 소스 속도 방향으로 피크를 이룬다. 이는 원형성성 주변에서의 흥분을 나타내며, 디스크 풍이나 X선 조사된 공동에 의한 것일 수 있다.
• 냉각된 H2 및 난방된 H2 성분 각각의 열량 밀도는 약 10^24 cm⁻²이며, 뜨거운 성분은 상대적으로 밀도가 낮아 약 10^22 cm⁻²로 국소적 난방을 나타낸다.