[논문 리뷰] Oxygen in dense interstellar gas - the oxygen abundance of the star forming core rho Oph A

René Liseau, K. Justtanont|arXiv (Cornell University)|2009. 03. 20.

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한 줄 요약

이 연구는 ISO/CAM-CVF 및 LWS를 통한 H₂ 및 [O I] 선 관측을 바탕으로 밀도 높은 별 형성 핵 ρ Oph A의 산소 농도를 결정한다. 산소 농도에 대한 세 가지 가능한 시나리오를 도출한다: 표준 농도를 가진 확장된 저밀도 기체, 표준 농도를 가진 밀집된 고밀도 기체, 또는 [O/H] ≈ 2×10⁻⁵로 감소된 농도를 가진 확장된 고밀도 기체이며, 화학적 진화 기대에 따라 후자를 선호한다.

ABSTRACT

Oxygen is the third most abundant element in the universe, but its chemistry in the interstellar medium is still not well understood. In order to critically examine the entire oxygen budget, we attempt here initially to estimate the abundance of atomic oxygen, O, in the only one region, where molecular oxygen, O2, has been detected to date. We analyse ISOCAM-CVF spectral image data toward rho Oph A to derive the temperatures and column densities of H2 at the locations of ISO-LWS observations of two [OI] 3P_J lines. The intensity ratios of the (J=1-2) 63um to (J=0-1) 145um lines largely exceed ten, attesting to the fact that these lines are optically thin. This is confirmed by radiative transfer calculations, making these lines suitable for abundance determinations. For that purpose, we calculate line strengths and compare them to the LWS observations. Excess [OI] emission is observed to be associated with the molecular outflow from VLA 1623. For this region, we determine the physical parameters, T and N(H2), from the CAM observations and the gas density, n(H2), is determined from the flux ratio of the [O I]63um and [O I]145um lines. For the oxygen abundance, our analysis leads to essentially three possibilities: (1) Extended low density gas with standard ISM O-abundance, (2) Compact high density gas with standard ISM O-abundance and (3) Extended high density gas with reduced oxygen abundance, [O/H] ~ 2E-5. As option (1) disregards valid [O I] 145um data, we do not find it very compelling; we favour option (3), as lower abundances are expected as a result of chemical cloud evolution, but we are not able to dismiss option (2) entirely. Observations at higher angular resolution than offered by the LWS are required to decide between these possibilities.

연구 동기 및 목표

• 밀도 높은 은하간 매질에서 ρ Oph A 별 형성 핵의 산소 농도를 결정하기 위해.
• 분자 산소(O₂)가 관측된 지역에서 산소 예산을 해결하기 위해.
• 온도, 밀도, 기체 열량 밀도와 같은 물리적 조건이 산소 농도 측정에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 밀집한 구름에서 화학적 진화로 인한 산소 탈산소화에 대한 경쟁 모델을 평가하기 위해.

제안 방법

• ρ Oph A 영역 전역에서 H₂ 회전선 온도와 기체 열량 밀도를 유도하기 위해 ISOCAM-CVF 스펙트럼 영상 데이터 분석.
• [O I] 63 μm 및 145 μm 선의 LWS 관측을 활용하여 선 비율 분석을 통한 기체 밀도 및 산소 농도 측정.
• 방사선 전달 계산을 통해 [O I] 선이 광학적으로 얇다는 것을 확인하여 농도 측정에의 적용 가능성을 검증.
• 관측된 선 강도를 이론 모델과 비교하여 물리적 매개변수와 산소 농도를 제약.
• S(7) 선을 제외한 회전도 방법을 H₂ 선에 적용하여 온도 기울기로 인한 곡률을 방지.
• 비판적 밀도 및 광학적 두께 조건 평가를 통해 H₂ 선의 국소 열역학적 평형(LTE) 및 광학적으로 얇은 방출을 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분자 기체 분출이 있는 영역에서 밀도 높은 핵 ρ Oph A의 산소 농도는 무엇인가?
• RQ2 관측된 [O I] 선 비율은 기체의 물리적 조건(온도, 밀도, 기체 열량 밀도)을 어떻게 제약하는가?
• RQ3 세 가지 가능한 농도 시나리오—표준 농도를 가진 확장된 저밀도 기체, 표준 농도를 가진 밀집된 고밀도 기체, 또는 확장된 고밀도 기체에서 감소된 농도—중에서 데이터와 가장 일치하는 것은 무엇인가?
• RQ4 온도 기울기 또는 비-LTE 효과가 H₂ 및 [O I] 선에서의 농도 측정 신뢰도에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ5 화학적 진화는 밀집 은하간 구름에서 산소 농도를 낮추는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• [O I] 63 μm 대비 145 μm 선 강도 비율이 십을 넘어서, 선이 광학적으로 얇고 농도 분석에 적합함을 확인한다.
• 과잉 [O I] 방출은 VLA 1623에서의 분자 기체 분출과 관련되어 있으며, 충격 흥분을 나타낸다.
• 기체 분출 영역의 H₂ 기체는 약 1000 K의 균일한 온도를 보이며, 단일 온도 근사가 타당함을 지지한다.
• H₂ 선은 광학적으로 얇으며, 기체 열량 밀도가 광학적 두께 효과의 임계값 이하(1.5×10²² cm⁻²)에 훨씬 못 미침.
• S(7) H₂ 선의 비판적 밀도는 평균 H₂ 밀도(3×10⁵ cm⁻³) 이하이며, 국소 열역학적 평형(LTE) 가정의 정당성을 뒷받침한다.
• 세 가지 산소 농도 시나리오가 가능하다: (1) 표준 [O/H]를 가진 확장된 저밀도 기체, (2) 표준 [O/H]를 가진 밀집된 고밀도 기체, 또는 (3) 감소된 [O/H] ≈ 2×10⁻⁵를 가진 확장된 고밀도 기체; 화학적 진화 기대에 따라 후자가 선호된다.