[논문 리뷰] Outflows from young objects observed with the ISO-LWS I. Fine structure lines [O I] 63, [O I]145 and [C II]157 micron

R. Liseau, K. Justtanont외 1명|ArXiv.org|2005. 09. 28.

Spectroscopy and Laser Applications인용 수 33

한 줄 요약

이 연구는 젊은 별성체(YSO)에서의 원거리 적외선 미세 구조선들 [O I] 63, 145, 및 [C II] 157 μm를 ISO-LWS 데이터를 사용해 분석하여, 은하형성 영역에서의 진단 능력을 평가한다. 연구 결과, 이례적으로 낮은 [O I] 63/145 μm 선 비율은 냉각된 희박한 기체에 의한 63 μm 선의 전경 흡수로 가장 잘 설명되며, 마싱 또는 광학적 두께 효과가 아닌 것으로 밝혀져, 분출 영역에서 이러한 선들의 진단적 유용성이 크게 제한됨을 시사한다.

ABSTRACT

Far infrared fine structure line data from the ISO archive have been extracted for several hundred YSOs and their outflows, including molecular (CO) outflows, optical jets and Herbig-Haro (HH) objects. Given the importance of these lines to astrophysics, their excitation and transfer ought to be investigated in detail and, at this stage, the reliability of the diagnostic power of the fine structure transitions of O I and C II has been examined. Several issues, such as the extremely small intensity ratios of the oxygen 63 micron to 145 micron lines, are still awaiting an explanation. It is demonstrated that, in interstellar cloud conditions, the 145 micron line is prone to masing, but that this effect is likely an insufficient cause of the line ratio anomaly observed from cold dark clouds. Very optically thick emission could in principle also account for this, but would need similar, prohibitively high column densities and must therefore be abondoned as a viable explanation. One is left with [O I] 63 micron self absorption by cold and tenuous foreground gas, as has been advocated for distant luminous sources. Recent observations with the submillimeter observatory Odin support this scenario also in the case of nearby dark molecular clouds. On the basis of this large statistical material we are led to conclude that in star forming regions, the [O I] and [C II] lines generally have only limited diagnostic value.

연구 동기 및 목표

• 젊은 별성체(YSO) 분출 영역에서 [O I] 63, 145 μm 및 [C II] 157 μm 미세 구조선의 신뢰성과 진단 가능성을 평가하기 위해.
• 표준 광학적으로 얇은 방출 모델과 어긋나는 냉각된 어둠운 구름에서 관측된 낮은 [O I] 63/145 μm 강도 비율의 이상 현상을 해결하기 위해.
• 마싱, 광학적 두께 효과, 전경 흡수와 같은 경쟁적 설명을 시험하기 위해.
• 이 선들이 분출 영역에서 밀도 및 온도와 같은 물리 조건을 신뢰성 있게 추적할 수 있는지 확인하기 위해.
• 은하간 매질 연구에서의 은하형성에 있어 이러한 선들의 진단적 제약 조건을 평가하기 위해.

제안 방법

• 분자 분출, 광학적 제트, 허비그-하로 물체를 포함한 YSO 552건의 ISO-LWS 중해상도 스펙트럼 관측 분석.
• 연속기 소음 기반의 보수적인 오차 추정치를 사용하여 선 중심에서 스펙트럼 복사 밀도에 대한 가우시안 피팅을 통한 선 밀도 추출.
• 3σ 상한선을 루즈 노이즈와 스펙트럼 해상도 요소(63 μm의 경우 spl = 0.29 μm, 145/157 μm의 경우 0.6 μm)로부터 유도.
• 관측된 [O I] 63/145 μm 및 [O I] 63/[C II] 157 μm 강도 비율을 이론 모델과 통계적으로 비교.
• 3-level 체계인 O I 기본 상태(3P_J)의 통계적 평형 방정식 적용, 충돌률 및 복사 전이 확률 포함.
• Schöier 등(2005)의 원자 데이터를 사용한 수치 모델링 및 해석적 해법을 통한 준위 분포 계산, 역전 및 마싱 효과에 주의.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 광학적으로 얇은 조건 하에서 예상되는 것보다 관측된 [O I] 63 μm / 145 μm 강도 비율이 현저히 낮은가?
• RQ2 냉각된 어둠운 구름에서 관측된 선 비율 이상 현상이 145 μm 선의 마싱만으로 설명될 수 있는가?
• RQ3 필요한 열량 밀도가 너무 높아 비현실적이므로, 광학적으로 두꺼운 방출은 낮은 63/145 μm 비율에 대한 타당한 설명인가?
• RQ4 냉각된 희박한 기체에 의한 63 μm 선의 전경 흡수(예상 N(O I) ≈ 1×10^17 cm⁻²)가 관측된 비율에 대해 일관된 설명을 제공하는가?
• RQ5 [O I] 및 [C II] 미세 구조선이 YSO 분출 영역의 물리 조건에 대해 어느 정도의 진단적 가치를 유지하는가?

주요 결과

• 관측된 [O I] 63/145 μm 강도 비율의 대부분은 광학적으로 얇은 방출과 일치하지 않으며, 저온에서 광학적으로 두꺼운 방출을 시사한다.
• 145 μm 선의 마싱만으로는 냉각된 어둠운 구름에서 관측된 선 비율 이상 현상을 설명하기에 부족하다.
• 광학적으로 두꺼운 방출은 현실적으로 불가능한 높은 열량 밀도를 요구하므로 타당한 설명이 아니다.
• 냉각된 희박한 기체에 의한 63 μm 선의 전경 흡수(N(O I) ≈ 1×10^17 cm⁻²)는 관측된 비율에 대해 타당한 설명을 제공하며, H2O 선 관측 결과인 Odin 데이터로 지지된다.
• [O I] 63 μm / [C II] 157 μm 선 비율 역시 동일하게 영향을 받으며, 진단 신뢰성이 감소한다.
• 종합적으로, [O I] 및 [C II] 미세 구조선은 흡수 효과로 인해 은하형성 영역에서의 진단적 가치가 제한적이다.