[논문 리뷰] Shocked Molecular Hydrogen and Broad CO lines from the Interacting Supernova Remnant HB 3

Jeonghee Rho, T. H. Jarrett외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 21.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 88인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 혼합형 초신성 잔재 HB 3 (G132.7+1.3) 에서 가까운 적외선 및 중간 적외선에서 충격을 받은 분자 수소(H2)를 탐지하고, 밀리미터파 대역에서 넓은 CO(3-2) 및 CO(2-1) 선을 분석하여, 밀도 높은 분자 성운과 W3 H II 영역 복합체와의 충격 상호작용에 대한 명백한 증거를 제시한다. 팔로마 WIRC, 스피처 GLIMPSE360, WISE, HHSMT 데이터로부터 유도된 결과들은 SNR의 남부 및 동부 껍질에서 나비 모양의 필라멘터리 구조를 이루는 H2 발광을 보여주며, CO 선은 20–40 km s−1의 충격 속도와 200 µG 이상의 자기장 강도를 나타내어 주변 간성 물질과의 역학적 상호작용을 확인한다.

ABSTRACT

We present the detections of shocked molecular hydrogen (H2) gas in near- and mid-infrared and broad CO in millimeter from the mixed-morphology supernova remnant (SNR) HB~3 (G132.7+1.3) using Palomar WIRC, the Spitzer GLIMPSE360 and WISE surveys, and HHSMT. Our near-infrared narrow-band filter H2 2.12 micron images of HB~3 show that both Spitzer IRAC and WISE 4.6 micron emission originates from shocked H2 gas. The morphology of H2 exhibits thin filamentary structures and a large scale of interaction sites between the HB~3 and nearby molecular clouds. Half of HB~3, the southern and eastern shell of the SNR, emits H2 in a shape of a "butterfly" or "W", indicating the interaction sites between the SNR and dense molecular clouds. Interestingly, the H2 emitting region in the southeast is also co-spatial to the interacting area between HB~3 and the H~II regions of the W3 complex, where we identified star-forming activity. We further explore the interaction between HB~3 and dense molecular clouds with detections of broad CO(3-2) and CO(2-1) molecular lines from the southern and southeastern shells along the H2 emitting region. The widths of the broad lines are 8-20 km/s; the detection of such broad lines is unambiguous, dynamic evidence of the interactions between the SNR and clouds. The CO broad lines are from two branches of the bright, southern H2 shell. We apply the Paris-Durham shock model to the CO line profiles, which infer the shock velocities of 20 - 40 km/s, relatively low densities of 10^{3-4} cm^{-3} and strong (>200 micro Gauss) magnetic fields.

연구 동기 및 목표

• 혼합형 초신성 잔재 HB 3와 주변 분자 성운 및 H II 영역 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 근적외선 및 중간적외선에서 충격을 받은 분자 수소(H2) 발광을 식별하고 특성화하여 충격 과정의 추적자로 활용하기 위해.
• 밀리미터 대역에서 넓은 분자 CO 선을 탐지하고 분석하여 역학적 충격 상호작용의 명백한 증거를 확보하기 위해.
• 파리-더햄 충격 모델을 적용하여 충격 속도, 밀도, 자기장 강도, 관측 각도 등의 충격 매개변수를 제약하기 위해.
• 초신성 피드백이 분자 성운 내에서 별 형성 촉진과 난류 유도에 기여하는 역할을 이해하기 위해.

제안 방법

• 2.12 µm에서 근적외선 협파장 영상 촬영을 통해 H2 전이-진동 발광선을 탐지하기 위해 팔로마 WIRC를 사용한 방법.
• Spitzer GLIMPSE360 및 WISE 설문 데이터를 4.5 µm 및 4.6 µm에서 분석하여 H2 발광 기원을 확인하기 위해.
• HHSMT 망원경을 사용한 밀리미터파 스펙트로스코피를 통해 고해상도로 CO(3-2) 및 CO(2-1) 발광선을 탐지하기 위해.
• 파리-더햄 충격 모델을 CO 선형형태에 적용하여 충격 속도, 충격 이전 밀도, 자기장 강도, 관측 각도를 추론하기 위해.
• H2 및 CO 발광이 W3 H II 영역 복합체와 적외선 어두운 성운과의 공간적 상관관계를 분석하여 별 형성 활동을 식별하기 위해.
• ROSAT X선 데이터와 전파 등고선을 사용하여 HB 3의 혼합형 형태 분류를 확인하고 껍질 구조를 정의하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초신성 잔재 HB 3에서 충격을 받은 H2 발광의 공간 분포와 형태는 어떻게 되는가?
• RQ2 HB 3에서의 밀리미터파 CO 선형형태는 분자 성운과의 상호작용을 겪는 충격파의 존재와 역학을 어떻게 드러내는가?
• RQ3 상호작용 영역에서 충격으로 가열된 기체의 물리적 조건(충격 속도, 밀도, 자기장, 관측 각도)은 무엇인가?
• RQ4 HB 3 근처에서 초신성 잔재 피드백에 의해 유도된 별 형성이 증거로 나타나는가?
• RQ5 HB 3의 충격 형태와 운동학은 W28 또는 IC 443와 같은 다른 혼합형 초신성 잔재와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• HB 3에서 H2 발광은 남부 및 동부 껍질에서 나비 모양 또는 W 모양의 필라멘터리 구조를 이루며, 밀도 높은 분자 성운과 W3 H II 영역 복합체와의 상호작용을 나타낸다.
• 스피처 IRAC 4.5 µm 및 WISE 4.6 µm 발광이 열적 먼지나 이온화 기체가 아닌 충격을 받은 H2에서 기인한다는 것이 확인되었다.
• 남부 및东南부 껌질을 따라 넓은 CO(3-2) 및 CO(2-1) 선이 검출되었으며, FWHM 폭은 8–20 km s−1로, 역학적 충격 상호작용의 명백한 증거를 제공한다.
• 파리-더햄 충격 모델을 CO 선형형태에 적합시킨 결과, 충격 속도는 20–40 km s−1, 충격 이전 밀도는 6×10³–2×10⁴ cm⁻³, 자기장은 200 µG 이상으로 도출되었으며, 강한 자기장에 의한 구속이 있음을 시사한다.
• 관측 각도 분석 결과, 남동부 지역의 H2 발광은 SNR의 앞면에 위치해 있으며(θ ≈ 55°), 남부 껌질은 뒷면에 위치해 있다(θ ≈ 215°–230°), 이는 관측자 쪽으로 향하는 충격파와 멀어지는 충격파와 일치한다.
• HB 3와 W3 복합체의 경계부에서 별 형성 영역(클래스 I 및 II YSO)이 식별되었으며, 이는 초신성 잔재에 의한 피드백이 별 형성 촉진 또는 강화에 기여할 수 있음을 시사한다.