[논문 리뷰] Protostellar Outflows at the EarliesT Stages (POETS). II. A possible radio synchrotron jet associated with the EGO G035.02+0.35

A. Sanna, L. Moscadelli외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 24.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 41인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 VLA 관측을 통해 G035.02+0.35 성형 영역의 젊은 거대한 원형성성성성성주에서 발생하는 라디오 제트에서 비열역 동기방출의 최초 탐지 결과를 제시한다. 중심 소스에서 약 10,000 au 거리에 위치한 두 개의 대칭적인 덩어리에서 역전된 라디오 스펙트럼(α ≈ -0.1)을 관측하였으며, 이는 충격에서 가속된 상대론적 전자에 의해 발생하는 비열역 동기방출을 시사한다. 이들 영역의 추정 자기장 강도는 0.7–1.3 mG이며, 기계적 힘은 최대 3.2×10⁻³ M⊙ yr⁻¹ km s⁻¹이다.

ABSTRACT

Centimeter continuum observations of protostellar jets have revealed the presence of knots of shocked gas where the flux density decreases with frequency. This spectrum is characteristic of nonthermal synchrotron radiation and implies the presence of both magnetic fields and relativistic electrons in protostellar jets. Here, we report on one of the few detections of nonthermal jet driven by a young massive star in the star-forming region G035.02$+$0.35. We made use of the NSF's Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) to observe this region at C, Ku, and K bands with the A- and B-array configurations, and obtained sensitive radio continuum maps down to a rms of 10 $μ$Jy beam$^{-1}$. These observations allow for a detailed spectral index analysis of the radio continuum emission in the region, which we interpret as a protostellar jet with a number of knots aligned with extended 4.5 $μ$m emission. Two knots clearly emit nonthermal radiation and are found at similar distances, of approximately 10,000 au, each side of the central young star, from which they expand at velocities of hundreds km s$^{-1}$. We estimate both the mechanical force and the magnetic field associated with the radio jet, and infer a lower limit of $0.4 imes10^{-4} $M$_{\odot}$ yr$^{-1}$ km s$^{-1}$ and values in the range $0.7-1.3 $mG, respectively.

연구 동기 및 목표

• 초기 진화 단계의 원형성성성성제트에서 비열역 라디오 방출을 식별하고 특성화하기.
• 젊은 거대 원형성성성성성성 제트 내 상대론적 전자와 자기장의 존재를 조사하기.
• 라디오 스펙트럼 분석을 통해 제트의 기계적 힘과 최소에너지 자기장 강도를 추정하기.
• 비열역 동기방출이 고속 충격에서의 확산 충격 가속에 의해 유도된다는 가설을 검증하기.
• 유도된 자기장 강도를 독립적인 제트 측정값과 이론 모델과 비교하기.

제안 방법

• C, Ku, K 대역에서 A- 및 B-배열 구성을 사용하여 칼 G. 장스키 매우 큰 어레이(VLA)를 이용해 고감도 센티미터 파장 연속 스펙트럼 관측을 수행하였다.
• 10 μJy beam⁻¹의 감도로 고다이나믹 레인지와 고각해상도 라디오 연속 스펙트럼 맵을 제작하여 제트 덩어리의 해상도를 확보하였다.
• 방출 성분의 스펙트럼 지수 분석(Sν ∝ ν^α)을 수행하여 열역학적(α > 0)과 비열역학적(α < 0) 방출 메커니즘을 구분하였다.
• 최소에너지 자기장 공식 B_min = [4.5c₁₂(1+k)L_R]²/⁷(R³φ)⁻²/⁷을 적용하여 동기방출 빛의 세기(L_R), 소스 반경(R), 충진률(φ), 스펙트럼 계수(c₁₂, k)를 사용하였다.
• 라디오 성분의 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 분석하여 복사 밀도와 스펙트럼 지수를 도출하였으며, α ≈ -0.1을 보이는 두 개의 덩어리(CM3 및 CM4)를 확인하였다.
• 결과를 극화된 6.7 GHz CH₃OH 마이크로파 마저 데이터 및 이전 제트 측정값과 비교하여 자기장 정렬과 강도를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 젊은 거대 별에 의해 구동되는 원형성성성성제트에서 비열역 동기방출을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 제트 덩어리의 자기장 강도는 얼마이며, 이는 이론적 및 관측적 추정치와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 제트의 기계적 힘은 얼마이며, 관측된 라디오 방출 밀도와 충격 속도와의 관계는 어떠한가?
• RQ4 관측된 라디오 스펙트럼 지수는 상대론적 전자에 의한 확산 충격 가속과 일치하는가?
• RQ5 유도된 자기장 강도는 유사 지역에서의 독립적인 제트 측정값과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 중심 원형성성성성성주에서 약 10,000 au 떨어진 두 개의 라디오 덩어리(CM3 및 CM4)는 스펙트럼 지수 α ≈ -0.1을 보이며, 비열역 동기방출을 나타내는 역전된 라디오 스펙트럼을 나타낸다.
• CM3에서는 1.3 mG, CM4에서는 0.7 mG의 자기장 강도가 최소에너지 공식을 사용하여 추정되었으며, 이는 유사 지역에서의 독립적인 제트 측정값과 일치한다.
• 제트의 기계적 힘은 최대 3.2×10⁻³ M⊙ yr⁻¹ km s⁻¹로 추정되었으며, 낮은 이온화 분율과 고속 충격을 가정한 모델과 일치한다.
• 약 600 km s⁻¹의 제트 속도는 효율적인 확산 충격 가속을 가능하게 하며, 비열역 동기방출 메커니즘을 지지한다.
• 중심 소스에서의 극화된 6.7 GHz CH₃OH 마이크로파 마저 방출은 제트 축과 정렬되어 있으며, 자기장이 제트를 콘두르고 있음을 독립적인 증거로 제공한다.
• 이러한 초기 진화 단계에서 거대 원형성성성성성제트에서 비열역 방출이 탐지된 것은 자기장이 별 형성의 초도 단계부터 제트 콘두름과 입자 가속에 핵심적인 역할을 한다는 것을 시사한다.