[논문 리뷰] Shock excited far-infrared molecular emission around T Tau

L. Spinoglio, T. Giannini외 10명|Open Research Online (The Open University)|1999. 09. 29.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 T Tauri의 첫 번째 완전한 적외선 외부 스펙트럼을 제시하며, 약 300–400 AU 크기의 밀도 높은 영역에서 300–900 K 온도에서 강한 고J CO, H2O, OH 선이 관측됨을 밝혀냄. 데이터는 항성 바람에 의한 충격 가열이 유동 기저부에서 발생하고 있음을 시사하며, 물과 OH의 농도는 배경 수준보다 10배 이상 높아져, 복사 분해와 유동의 기계적 빛줄기와 유사한 냉각 메커니즘과 일치함.

ABSTRACT

The first complete far-infrared spectrum of T Tau has been obtained with the LWS spectrometer on-board the Infrared Space Observatory, which detected strong emission from high-J (J=14-25) CO, para- and ortho-H2O and OH transitions over the wavelength range from 40 to 190 micron. Most of the observed molecular emission can be explained by a single emission region at T~300-900 K and n(H_2)~10^(5-6) cm^(-3),with a diameter of about 2-3 arcsec. This corresponds to a very compact region of 300-400 AU at the distance of 140 pc. An higher temperature component seems to be needed to explain the highest excitation CO and water lines. We derive a water abundance of 1-7x10^(-5) and an OH abundance of ~3x10^(-5) with respect to molecular hydrogen, implying water and OH enhancements by more than a factor of 10 with respect to the expected ambient gas abundance. The observed cooling in the various species amounts to 0.04 L(sun),comparable to the mechanical luminosity of the outflow, indicating that the stellar winds could be responsible of the line excitation through shocks. In order to explain the observed molecular cooling in T Tau in terms of C-type shock models, we hypothesise that the strong far-ultraviolet radiation field photodissociates water in favour of OH. This would explain the large overabundance of OH observed. The estimated relatively high density and compactness of the observed emission suggest that it originates from the shocks taking place at the base of the molecular outflow emission, in the region where the action of the stellar winds from the two stars of the binary system is important.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 스펙트로스코피를 사용하여 T Tauri 이중성계의 적외선 외부 분자 방출을 특성화하기.
• 원환성 환경에서 방출되는 영역의 물리 조건(온도, 밀도, 크기)을 규명하기.
• 보편적인 간성간 물질 농도에 비해 증가된 물과 OH 농도의 기원을 조사하기.
• 항성 바람에 의해 유도된 충격이 관측된 선 자극과 냉각 속도를 설명할 수 있는지 평가하기.
• 적외선 외부 복사가 광분해를 통해 분자 농도에 미치는 영향을 평가하기.

제안 방법

• 적외선 우주 관측기(ISO)의 LWS 스펙트로미터를 사용하여 T Tau의 완전한 적외선 외부 스펙트럼을 확보함.
• 40–190 μm 범위에서 CO의 고J(J=14–25) 회전 전이, 정- 및 비정-수소화물(H2O), OH의 방출선을 분석함.
• 방출 기체의 온도, 밀도, 기체 열량을 추론하기 위해 C형 충격 모델을 사용함.
• 관측된 선 강도와 복사 전달 계산을 비교하여 H2에 대한 분자 농도를 추정함.
• 유동의 기계적 빛줄기와 총 분자 냉각 빛줄기의 비교를 통해 에너지 예산을 평가함.
• 특히 H2O의 OH로의 광분해를 고려하여 적외선 외부 복사가 H2O와 OH 화학에 미치는 영향을 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 T Tauri 주변 적외선 외부 방출 영역의 물리 조건(온도, 밀도, 크기)은 무엇인가요?
• RQ2 관측된 CO, H2O, OH의 고J 분자 전이를 자극하는 메커니즘은 무엇인가요?
• RQ3 왜 물과 OH의 농도가 일반적인 간성간 농도보다 현저히 높아졌는가요?
• RQ4 관측된 분자 냉각이 유동의 기계적 빛줄기와 어느 정도 일치하는가요?
• RQ5 적외선 외부 복사는 충격에 의해 자극된 기체에서 H2O/OH 농도 비율에 어떤 영향을 미치나요?

주요 결과

• 적외선 외부 스펙트럼은 40–190 μm 범위에서 고J CO(J=14–25), 정- 및 비정-수소화물(H2O), OH 전이의 강한 방출을 드러냄.
• 방출은 크기가 300–400 AU인 밀도 높은 영역에서 발생하며, 온도는 300–900 K, H2 밀도는 10^5–10^6 cm^-3임.
• 물의 농도는 H2 대비 1–7×10^-5로 추정되며, OH 농도는 약 3×10^-5로, 배경 수준보다 10배 이상 높음.
• 총 분자 냉각 빛줄기는 0.04 L⊙이며, 유동의 기계적 빛줄기와 유사하여 충격 자극을 지지함.
• 높은 OH 농도는 강한 적외선 외부 복사장에서 H2O의 광분해에 의해 설명됨.
• 데이터는 항성 바람이 이중성계에서 유도하는 유동 기저부에서 C형 충격 모델에 의해 가장 잘 설명됨.