[논문 리뷰] Molecule survival in magnetized protostellar disk winds. II. Predicted H2O line profiles versus Herschel/HIFI observations

W. Yvart, S. Cabrit외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 12.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 70인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 허셜/HIFI 관측을 통해 저질량 원형성성성에서 관측된 넓은 H2O 선형형태의 기원으로서 자기장이 가해진 디스크 풍속(MHD-DW) 모델을 시험한다. 모델은 0.2–25 AU에서 발생하는 따뜻하고 밀도가 높은 풍속으로부터 H2O 복사선을 시뮬레이션하여 관측된 선형형태, 강도, 복사선 밝기 상관관계를 성공적으로 재현한다. 이는 디스크로의 물질 유입률이 외곽층의 낙하율과 일치하며, Class 0에서 Class 1 원형성성으로의 전환 과정에서 풍속 특성이 변화함을 시사한다.

ABSTRACT

We investigate whether the broad wings of H2O emission identified with Herschel towards low-mass Class 0 and Class 1 protostars may be consistent with an origin in a dusty MHD disk wind, and the constraints it would set on the underlying disk properties. We present synthetic H2O line profiles predictions for a typical MHD disk wind solution with various values of disk accretion rate, stellar mass, extension of the launching area, and view angle. We compare them in terms of line shapes and intensities with the HIFI profiles observed by the WISH Key Program. We find that a dusty MHD disk wind launched from 0.2--0.6 AU AU to 3--25 AU can reproduce to a remarkable degree the observed shapes and intensities of the broad H2O component, both in the fundamental 557 GHz line and in more excited lines. Such a model also readily reproduces the observed correlation of 557 GHz line luminosity with envelope density, if the infall rate at 1000 AU is 1--3 times the disk accretion rate in the wind ejection region. It is also compatible with the typical disk size and bolometric luminosity in the observed targets. However, the narrower line profiles in Class 1 sources suggest that MHD disk winds in these sources, if present, would have to be slower and/or less water rich than in Class 0 sources. In conclusion, MHD disk winds appear as a valid (though not unique) option to consider for the origin of the broad H2O component in low-mass protostars. ALMA appears ideally suited to further test this model by searching for resolved signatures of the warm and slow wide-angle molecular wind that would be predicted.

연구 동기 및 목표

• 허셜/HIFI를 통해 저질량 원형성성에서 관측된 넓은 H2O 선형형태를 자기장이 가해진 디스크 풍속이 설명할 수 있는지 확인하기 위해.
• MHD-DW 모델이 H2O 복사선 밝기와 외곽층 밀도 사이의 관측된 상관관계와 일치하는지 평가하기 위해.
• H2O 선형형태를 바탕으로 Class 0와 Class 1 원형성성에서의 디스크 물질 유입률, 발생 반경, 풍속 특성에 대한 제약을 설정하기 위해.
• MHD-DW 모델이 Class 0와 Class 1 원형성성 간에 관측된 선의 너비에 대한 체계적 차이를 재현할 수 있는지 평가하기 위해.
• 특히 ALMA를 통해 추가로 검증할 수 있는 관측적 진단법을 규명하기 위해.

제안 방법

• 고정된, 자기 유사적인 먼지가 포함된 자기력-원심력 기반 디스크 풍속 모델을 사용하여, 다양한 디스크 물질 유입률, 항성 질량, 발생 반경(0.2–25 AU), 관측 각도를 고려한 합성 H2O 선형형태를 시뮬레이션한다.
• 외부 FUV 및 X선 복사원으로부터의 복사열을 고려하고, 광분해와 균형을 이루는 내열 반응을 통한 H2O 생성을 반영한다.
• 기본 557 GHz H2O 선과 더 높은 에너지 상태 전이를 고려하여 비- LTE 상태에서의 진동수 및 큰 전기 dipole 모멘트를 반영한 선형형태를 계산한다.
• 29개의 저질량 Class 0 및 Class 1 원형성성에서 허셜/HIFI로 관측된 선형형태와 비교하여 선형형태의 형태, 강도, 복사선 밝기를 분석한다.
• 외곽층 밀도가 1000 AU일 때 선의 너비, 속도 범위, 복사선 밝기 상관관계를 분석하여 모델의 적합도를 평가한다.
• 모델의 매개변수 공간을 탐색하기 위해 격자 기반 모델링을 수행하고, 특히 Class 1 원형성성에서 관측된 더 좁은 선형형태를 재현할 수 있는 조건을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 먼지가 포함된 MHD 디스크 풍속 모델이 저질량 원형성성에서 관측된 H2O 선형형태의 형태, 강도, 속도 범위를 재현할 수 있는가?
• RQ2 1000 AU에서 H2O 557 GHz 복사선 밝기와 외곽층 밀도 사이의 관측된 상관관계는 MHD 디스크 풍속 모델과 일치하는가?
• RQ3 이 모델은 Class 0와 Class 1 원형성성에서의 디스크 물질 유입률과 발생 반경에 대해 어떤 제약을 가하는가?
• RQ4 왜 H2O 선형형태는 Class 1 원형성성에서 Class 0 원형성성보다 체계적으로 더 좁은가? MHD-DW 모델은 이 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ5 특히 ALMA를 통해 추가로 검증할 수 있는 관측적 징후는 무엇이며, MHD 디스크 풍속 가설의 타당성을 더욱 검증할 수 있는가?

주요 결과

• 0.2–25 AU에서 발생하는 먼지가 포함된 MHD 디스크 풍속은 557 GHz 기본 선과 더 높은 에너지 상태 전이에서 관측된 넓은 H2O 성분의 선형형태와 강도를 성공적으로 재현한다.
• 모델은 1000 AU에서 H2O 557 GHz 복사선 밝기와 외곽층 밀도 사이의 관측된 상관관계를 기울기 ≈1로 성공적으로 재현한다. 이는 디스크 물질 유입률이 1000 AU에서 외곽층 낙하율의 1–3배여야 한다는 것을 요구한다.
• 모델은 Class 0와 Class 1 원형성성에서 관측된 일반적인 복사선 밝기와 디스크 크기와 일치한다.
• Class 1 원형성성에서 더 좁은 선형형태는 MHD 디스크 풍속이 존재할 경우, Class 0 원형성성보다 더 느리고/또는 물질 함량이 적은 풍속일 가능성이 있음을 시사한다.
• 모델은 따뜻하고 느린, 넓은 각도의 분자 풍속을 예측하며, ALMA로 해상도를 확보할 수 있어 향후 검증에 있어 ALMA가 핵심 도구가 될 수 있다.
• MHD 디스크 풍속 모델은 저질량 원형성성에서 넓은 H2O 성분 기원에 대해 타당한 설명이지만, 유일한 설명은 아니다.