[논문 리뷰] NIR spectroscopic survey of protostellar jets in the star forming region IC 1396N

F. Massi, López, Rosario외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 19.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 42인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 TNG 망원경에서 저해상도 장슬릿 적외선 스펙트로스코피를 사용하여 IC 1396N 별형성 영역 내 조류별 분출에서 H2 회전-진동 방출을 근적외선 스펙트로스코픽 조사한다. 연구는 H2 방출의 주요 메커니즘이 충격 흥크라는 것을 확인하고, 제트의 진동을 나타내는 동시에 청색 및 적색 이동 성분이 공존하는 복잡한 운동학적 특성을 드러내며, 분출 노드의 물리적 조건과 투과도를 제약한다. 또한 BIMA 2라는 중간질량 천체에서 기인한 것으로 보이는 스트랜드 A와 B의 가설을 도전한다.

ABSTRACT

Abridged. The bright-rimmed cloud IC1396N hosts CO, H$_2$, and Herbig-Haro outflows powered by millimetre compact sources. We aim to characterise the kinematics and physical conditions of the H$_2$ emission features spread over IC1396N, which appear as chains of knots with a jet-like morphology, tracing different H$_2$ outflows, and to obtain further information about (and an identification of) the driving sources. Low-resolution, long-slit near-infrared spectra were acquired with NICS at the TNG, using grisms KB (R~1200), HK and JH (R~500). Several slit pointings and PA were used throughout IC1396N to sample a number of the H$_2$ knots previously detected in deep H$_2$ 2.12 $\mu$m images. The knots exhibit rich ro-vibrational spectra of H$_2$, consistent with shock-excited excitation, from which radial velocities and relevant physical conditions of the IC1396N H$_2$ outflows were derived. These also allowed estimating extinction ranges towards several features. [FeII] emission was only detected towards a few knots, which also display unusually large H$_2$ 1-0 S(3)/S(1) flux ratios. The obtained radial velocities confirm that most of the outflows are close to the plane of the sky. Nearby knots in the same chain often display different radial velocities, both blue-shifted and red-shifted, which we interpret as due to ubiquitous jet precession in the driving sources or the development of oblique shocks. One of the chains (strand A) appears as a set of features trailing a leading bow-shock structure consistent with the results of 3-D magneto-hydrodynamical models. Either side of the leading bow-shock (A15) exhibits a different radial velocity, whose possible explanations are discussed in the paper. Our data cannot confirm whether strands A and B have both been originated by the intermediate mass young stellar object BIMA 2.

연구 동기 및 목표

• IC 1396N 내 조류별 분출에서 H2 회전-진동 방출의 흥크 메커니즘을 이해한다.
• 여러 분출에서 H2 방출 노드의 운동학 및 물리적 조건(온도, 투과도)을 특성화한다.
• 반경 속도와 밀리미터 연속체 및 CO 분출과의 공간적 상관관계를 이용해 관측된 H2 제트 구조의 구동원을 특정하고 위치를 파악한다.
• 스트랜드 A와 B의 복잡한 형태가 BIMA 2에서 기인한 단일의 진동 제트로 설명될 수 있는지 평가한다.
• 관측된 H2 운동학 및 형태를 3차원 자기유체역학 모델과 비교하여 제트 역학 및 충격 구조를 평가한다.

제안 방법

• TNG 망원경의 NICS 장치를 사용하여 저해상도, 장슬릿 적외선 스펙트럼을 획득하였으며, 그리즘 KB(R ~1200), HK, JH(R ~500)를 사용하였다.
• 이전 H2 2.12 µm 영상에서 감지된 H2 노드를 샘플링하기 위해 다수의 위치각에서 공간적으로 분해된 스펙트로스코피를 수행하였다.
• H2 1–0 S(1), S(0), S(2) 전이에서 반경 속도를 유도하였으며, 선 간 일관성을 검증하여 속도 신뢰도를 확보하였다.
• H2 선비율(예: 1–0 S(1)/S(0), 1–0 S(1)/S(2), 1–0 S(3)/S(1))을 사용하여 충격 흥크와 UV 형광 메커니즘을 구분하였다.
• 모든 감지된 H2 선을 사용하여 국소 열역학적 평형(LTE)을 가정하고 흥크 온도(Tex)와 시각적 투과도(AV)를 동시에 해결하였다.
• 관측된 H2 노드 형태와 반경 속도 구조를 3차원 자기유체역학 모델과 비교하여, 버드 샤프트 및 진동 서명을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IC 1396N의 노드에서 H2 회전-진동 방출을 일으키는 주요 흥크 메커니즘은 충격 흥크인지, UV 형광인지?
• RQ2 H2 노드의 반경 속도는 분출이 천구 평면에 대해 어떤 방향으로 향해 있는지, 그리고 운동학적 특성을 어떻게 제약하는가?
• RQ3 스트랜드 A와 B의 복잡한 형태와 운동학적 구조는 BIMA 2에서 기인한 단일의 진동 제트로 설명될 수 있는가?
• RQ4 다른 노드 체인에서 H2 방출 기체의 물리적 상태(Tex, AV)는 어떻게 되며, 이는 투과도 및 다양한 대역에서의 선 감지와 어떻게 관련되는가?
• RQ5 스트랜드 A의 관측된 선도 버드 샤프트 구조는 3차원 MHD 시뮬레이션의 제트 분출과 일치하는가?

주요 결과

• IC 1396N에서 H2 회전-진동 방출은 충격 흥크에 의해 주로 일어나며, 충격 흥크와 일관된 H2 선비율이 관측되고 UV 형광 메커니즘과는 일치하지 않아 이를 뒷받침한다.
• H2 노드의 반경 속도 범위는 −40에서 +50 km s−1이며, 동일한 스트랜드 내에서 청색 및 적색 이동 성분이 공존함으로써 대부분의 분출이 천구 평면에 가까이 위치해 있으며, 진동 제트에 의해 구동된 것으로 추정됨을 시사한다.
• 노드 A1–A15는 선도 버드 샤프트 형태(A15)를 보이며, 동측과 서측에서 서로 다른 반경 속도를 나타내어 3차원 MHD 모델 예측과 일치하는, 진동 제트를 통해 전파되는 버드 샤프트의 특성과 부합한다.
• 스트랜드 C는 스트랜드 A, B, G(AV = 5–10 mag)보다 낮은 투과도(AV = 0–2 mag)를 보이며, 이는 C에서 J 대역 H2 선이 감지되었지만 A1–A15 및 B1–B11에서는 감지되지 않는 이유를 설명한다.
• 높은 H2 1–0 S(3)/S(1) 복사율 비율과 [Fe ii] 방출은 가장 높은 투과도를 보이는 노드(A1–A15 및 O1)에서만 관측되어 C-충격 또는 복잡한 충격 구조의 존재를 시사한다.
• 단순한 진동 모델이나 BIMA 2 근처에 질량이 큰 궤도를 도는 천체를 포함한 모델 모두가 스트랜드 A와 B의 공간적 및 운동학적 구성과 일치하지 않아, 더 복잡한 기원 또는 별개의 구동원이 존재함을 시사한다.