[논문 리뷰] SHAPEMOL: a 3-D code for calculating CO line emission in planetary and protoplanetary nebulae. Detailed model fitting of the complex nebula NGC 6302

M. Santander-García, V. Bujarrabal외 2명|DIGITAL.CSIC (Spanish National Research Council (CSIC))|2014. 10. 24.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 25인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 비-LTE 조건 하에서 행 星 및 원형행 星 성운에서 CO 선 방출을 모델링하기 위해 SHAPE 소프트웨어를 확장한 3D 복사전달 코드인 shapemol을 소개한다. 이 코드는 12CO 및 13CO의 J=1–0에서 J=17–16 전이에 대해 복사전달을 해결함으로써 정확한 합성 스펙트럼 프로파일과 간섭계 지도를 가능하게 하며, NGC 6302에 적용하여 복잡한 끊어진 고리 형태의 분자 막대와 손가락 모양의 구조, 고속 블롭을 밝혀내었으며, 총 분자 질량은 0.11 M⊙로 산정되었다.

ABSTRACT

Modern instrumentation in radioastronomy constitutes a valuable tool for studying the Universe: ALMA has reached unprecedented sensitivities and spatial resolution, while Herschel/HIFI has opened a new window for probing molecular warm gas (~50-1000 K). On the other hand, the software SHAPE has emerged in the past few years as a standard tool for determining the morphology and velocity field of different kinds of gaseous emission nebulae via spatio-kinematical modelling. SHAPE implements radiative transfer solving, but it is only available for atomic species and not for molecules. Being aware of the growing importance of the development of tools for simplifying the analyses of molecular data, we introduce shapemol, a complement to SHAPE, with which we intend to fill the so-far under-developed molecular niche. shapemol enables user-friendly, spatio-kinematic modelling with accurate non-LTE calculations of excitation and radiative transfer in CO lines. It allows radiative transfer solving in the 12CO and 13CO J=1-0 to J=17-16 lines, but its implementation permits easily extending the code to different molecular species. shapemol allows easily generating synthetic maps and line profiles to match against interferometric or single-dish observations. We fully describe shapemol and discuss its limitations and the sources of uncertainty to be expected in the final synthetic profiles or maps. As an example of the power and versatility of shapemol, we build a model of the molecular envelope of the planetary nebula NGC 6302 and compare it with 12CO and 13CO J=2-1 interferometric maps from SMA and high-J transitions from Herschel/HIFI. We find the molecular envelope to have a complex, broken ring-like structure with an inner, hotter region and several 'fingers' and high-velocity blobs, emerging outwards from the plane of the ring. We derive a mass of 0.11 Msun for the molecular envelope.

연구 동기 및 목표

• 행성 및 원형행 성운의 3D 공간-운동 모델에서 분자 선 방출을 모델링할 수 있는 도구의 부족을 해결하기 위해.
• 기존 도구인 SHAPE가 원소 종만 다루는 데 비해, 비- LTE 여기화 및 복사전달을 고려한 정확하고 사용자 友好的한 CO 선 방출 모델링을 가능하게 하기 위해.
• ALMA 및 Herschel/HIFI의 고해상도·고감도 데이터 분석을 지원하기 위해 실제 데이터와 비교 가능한 합성 관측 데이터를 생성하기 위해.
• CO 이외의 고차선 및 다른 분자 종을 포함한 더 넓은 범위의 분자 전이를 모델링할 수 있도록 확장 가능한 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• shapemol은 J=1–0에서 J=17–16까지의 CO 회전 전이에 대해 비- LTE 복사전달을 해결하기 위해 대규모 속도 기울기(LVG) 근사를 구현한다.
• 코드는 성운의 3D 밀도, 속도, 온도 구조를 기반으로 CO 준위의 통계적 평형을 계산하고, 복사선 강도를 산출한다.
• SHAPE 소프트웨어와 원활하게 통합되어, 3D 메쉬 기반 기하학 및 운동학적 구조를 활용하여 합성 채널 지도와 위치-속도도를 생성한다.
• 대부분의 구조에 대해 구동형 확장 패tern을 가정하며, 손가락 같은 얇은 기하학적 구조에는 일정한 속도를 가정한다.
• 밀도 및 온도 분포를 변형 가능하게 설계하여, 내부의 뜨거운 영역과 외부의 냉각된 막대를 포함한 다양한 분포를 수용한다.
• 코드는 확장 가능하도록 설계되어, 사용자 또는 개발자가 수정함으로써 향후 추가 분자 종과 전이에 대한 지원이 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복잡한 3D 성운 기하학에서 비- LTE 복사전달을 정확하게 모델링하여 고해상도 간섭계 및 고- J 스펙트럼 데이터를 일치시킬 수 있는가?
• RQ2 행성 성운 NGC 6302에서 관측된 CO 방출을 가장 잘 재현하는 3D 형태 및 운동학적 기하학은 무엇인가?
• RQ3 밀도, 온도, 속도 등의 물리적 조건은 고리, 손가락, 고속 블롭 등의 성운 구성 요소에서 어떻게 변화하는가?
• RQ4 NGC 6302의 CO 방출 분자 막대의 총 질량은 얼마이며, 이는 이전 추정치와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 간단한 3D 모델이 간섭계 채널 지도에서 관측된 복잡한 다공성 기하학을 어느 정도 재현할 수 있는가?

주요 결과

• NGC 6302의 분자 막대는 내부의 뜨거운 영역과 확장된 냉각 외부 부분을 가진 복잡한 끊어진 고리 형태의 기하학을 띈다.
• 성운은 고리 평면에서 외부로 뻗어나가는 여러 고속 ‘손가락’과 블롭을 포함하며, 속도는 최대 38 km s⁻¹에 이른다.
• 토르스의 내부 노출 영역은 300 K에 이르며, 외부 영역은 온도가 수십 K 수준으로 더 낮다.
• CO 방출 분자 막대의 총 질량은 0.11 M⊙이며, 이 중 0.08 M⊙는 토르스에, 0.03 M⊙는 손가락과 블롭에 해당한다.
• 모델은 저- J SMA 간섭계 지도와 고- J Herschel/HIFI 선 스펙트럼을 모두 잘 맞추며, 서로 다른 데이터 세트 간의 일관성을 보여준다.
• 모델이 갑작스러운 채널 간 변화를 재현하지 못하는 것은 매끄러운 3D 기하학에서는 포착되지 않은 소규모 덩어리와 빈 공간이 존재할 가능성을 시사한다.