[논문 리뷰] Protostellar Outflows at the EarliesT Stages (POETS). I. Radio thermal jets at high resolution nearby H$_2$O maser sources

A. Sanna, L. Moscadelli외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 17.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 55인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 VLA를 이용해 센티미터 파장에서 33개의 원형성운 유도 후보자들에 대한 고해상도 전파 연속분광 관측을 수행하였다. 전파 연속분광 빛의 세기와 H₂O 매퍼스 빛의 세기 사이에 강한 상관관계(r > 0.8)를 확인하였으며, 이는 열적 브레머스트랄링 방출이 다양한 별의 빛의 세기(1–10⁵ L⊙) 범위에서 충격 이온화된 (원형성운)별풍과 제트를 추적함을 확인한다.

ABSTRACT

Abridged. Methods. We made use of the Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) in the B configuration at K band, and in the A configuration at both Ku and C bands, in order to image the radio continuum emission towards 25 H$_2$O maser sites with an angular resolution and thermal rms of the order of $0.1''$ and 10 $μ$Jy beam$^{-1}$, respectively. These targets add to our pilot study of 11 maser sites presented in Moscadelli et al. (2016). The sample of H$_2$O maser sites was selected among those regions having an accurate distance measurement, obtained through maser trigonometric parallaxes, and H$_2$O maser luminosities in excess of 10$^{-6}$ L$_{\odot}$. Results. We present high-resolution radio continuum images of 33 sources belonging to 25 star-forming regions. In each region, we detect radio continuum emission within a few 1000 au of the H$_2$O masers' position; 50% of the radio continuum sources are associated with bolometric luminosities exceeding 5 $ imes$ 10$^{3}$ L$_{\odot}$, including W33A and G240.32$+$0.07. We provide a detailed spectral index analysis for each radio continuum source, based on the integrated fluxes at each frequency, and produce spectral index maps with the multi-frequency-synthesis deconvolution algorithm of CASA. The radio continuum emission traces thermal bremsstrahlung in (proto)stellar winds and jets, with flux densities at 22 GHz below 3 mJy, and spectral index values between $-0.1$ and 1.3. We prove a strong correlation ($r>$0.8) between the radio continuum luminosity (L$_{ m rad}$) and the H$_2$O maser luminosity (L$_{ m H_2O}$) of ($ m L_{8GHz}/mJy imes kpc^2)=10^{3.8} imes(L_{H_2O}/L_{\odot})^{0.74}$. Since H$_2$O masers are excited through shocks driven by (proto)stellar winds and jets, these results provide support to the idea that the radio continuum emission around young stars is dominated by shock-ionization.

연구 동기 및 목표

• 빛나는 H₂O 매퍼스와 관련된 젊은 별 주변 1000 au 이내에서 센티미터 자유-자유 연속분광 방출을 이미징하기 위해.
• H₂O 매퍼스 방출을 통한 유출의 운동학을 연구하고, 이를 전파 연속분광 특성과 상관관계를 통해 분석하기 위해.
• 전파 빛의 세기와 볼로메트릭 빛의 세기 및 매퍼스 빛의 세기를 연결하여 원형성운 유출의 에너네틱스를 정량화하기 위해.
• 전파 연속분광 방출이 넓은 범위의 별 빛의 세기에서 충격 이온화된 별풍과 제트를 추적하는지 테스트하기 위해.

제안 방법

• 1–7 cm(26–4 GHz) 파장에서 VLA의 B, A, Ku, C 설정을 사용하여 고해상도 관측을 수행하였다.
• 정확한 파라렐랙스 거리 정보를 바탕으로 25개의 H₂O 매퍼스 위치에서 약 0.1 arcsec의 각해상도와 약 10 μJy beam⁻¹의 열노이즈를 확보하였다.
• CASA를 사용하여 다중 주파수 합성 탈디컨볼루션을 수행하여 여러 주파수에서의 통합 광도로부터 스펙트럼 지수 맵을 생성하였다.
• 형태와 스펙트럼 지수를 기반으로 전파 연속분광 소스를 별풍(SW), 제트(JET), 투명핵(OP), H II 영역로 분류하였다.
• 밴드 간 광도 밀도 비율을 이용해 스펙트럼 지수(α)를 계산하여 열적(자유-자유) 방출과 비열적 방출을 구별하였다.
• 볼로메트릭 빛의 세기와 H₂O 매퍼스 빛의 세기(L_H₂O > 10⁻⁶ L⊙)를 사용하여 경험적 스케일링 관계를 수립하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원형성운 진화의 가장 초기 단계에서 H₂O 매퍼스 위치와 관련된 센티미터 전파 연속분광 방출의 성격은 무엇인가?
• RQ2 전파 연속분광 방출의 스펙트럼 지수와 광도는 (원형성운)별풍의 특성과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ3 넓은 범위의 원형성운 빛의 세기에서 전파 연속분광 빛의 세기와 H₂O 매퍼스 빛의 세기 사이에 일관된 상관관계가 존재하는가?
• RQ4 전파 연속분광 방출이 원형성운 별풍과 제트에서 충격 이온화된 기체를 어느 정도 추적하는가?
• RQ5 관측된 전파, 볼로메트릭, 매퍼스 빛의 세기 간의 스케일링 관계를 이용하여 젊은 별의 유출 에너네틱스를 추론할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 33개의 소스에서 H₂O 매퍼스 위치 주변 1000 au 이내에서 전파 연속분광 방출이 검출되었으며, 22 GHz에서 광도는 3 mJy 이하였다.
• 스펙트럼 지수(α)는 –0.1에서 1.3 사이로, 이는 이온화된 (원형성운)별풍과 제트에서 발생하는 열적 브레머스트랄링과 일치한다.
• 전파 연속분광 빛의 세기(L_rad)와 H₂O 매퍼스 빛의 세기 사이에 강한 상관관계(r > 0.8)를 발견하였으며, 다음과 같은 관계식이 성립한다: (L_8GHz/mJy kpc²) = 10³.⁸ × (L_H₂O/L⊙)^0.⁷⁴.
• 전파–매퍼스 빛의 세기 관계는 기존의 전파–볼로메트릭 빛의 세기 관계와 매우 유사하여, 충격 이온화가 주요 이온화 메커니즘임을 뒷받침한다.
• 전파 소스의 50퍼센트 이상이 5 × 10³ L⊙ 이상의 볼로메트릭 빛의 세기를 가지며, W33A와 G240.32+0.07가 포함되어 있다.
• 결과적으로 전파 연속분광 방출이 1–10⁵ L⊙ 범위에서 충격 이온화된 유출을 추적함을 확인하였으며, 이는 초기 유출 활동의 대체 지표로 사용될 수 있음을 검증한다.