[논문 리뷰] Simultaneous 22 GHz Water and 44 GHz Methanol Masers Survey of Ultracompact HII Regions

Kim, Won-Ju, Kim, Kee-Tae외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 26.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 103개의 초박성수소이온영역(UCHiis)을 대상으로 22 GHz H₂O 및 44 GHz Class I CH₃OH 마저를 동시에 다중 에포크에 걸쳐 조사하여 각각 72%와 53%의 감지율을 기록하였다. 높은 감지율과 빛의 볼로메트릭/라디오/서미리미터 빛과의 강한 상관관계는 두 마저 유형이 UCHii 단계와 동시에 발생하며, H₂O 마저는 빠른 변동성과 고속 성분을 보이며, CH₃OH 마저는 시간에 따라 안정된 상태를 유지함을 시사한다.

ABSTRACT

We have carried out a multi-epoch simultaneous survey of 22 GHz H$_2$O and 44 GHz Class I CH$_3$OH masers toward 103 ultracompact HII regions (UCHIIs) between 2010 and 2017. We detected H$_2$O and CH$_3$OH maser emission in 74 (72%) and 55 (53%) UCHIIs, respectively. Among them, 3 H$_2$O and 27 CH$_3$OH maser sources are new detections. These high detection rates suggest that the occurrence periods of both maser species are significantly overlapped with the UCHII phase of massive star formation. The CH$_3$OH maser lines always have small (< 10 km s$^{-1}$) relative velocities with respect to the natal molecular cores, while H$_2$O maser lines often show larger relative velocities. Twenty four H$_2$O maser-detected sources have maser lines at relative velocities > 30 km s$^{-1}$, and thirteen of them show extremely high-velocity (> 50 km s$^{-1}$) components. The appearance and disappearance of H$_2$O maser lines are quite frequent over six-month or one-year time intervals. In contrast, CH$_3$OH maser lines usually do not exhibit significant variations in the line intensity, velocity, or shape for the same periods. The isotropic luminosities of both masers appear to correlate with the bolometric luminosities of the central stars. This correlation becomes much stronger in the case that data points in the low- and intermediate-mass regimes are added. The maser luminosities also tend to increase with the radio continuum luminosities of UCHIIs and the submillimeter continuum luminosities of the associated dense cores.

연구 동기 및 목표

• 초박성수소이온영역(UCHiis)에서 22 GHz H₂O 및 44 GHz Class I CH₃OH 마저의 동시 발생 및 시간적 행동을 조사하기 위해.
• 마저 활동과 고질량 별 형성의 UCHii 단계 간의 겹침을 규명하기 위해.
• 다중 에포크 관측을 통해 마저 선의 강도, 속도, 형상의 시간적 변동성을 분석하기 위해.
• 중앙 별 및 관련 조밀핵의 물리적 성질과 마저 빛의 상관관계를 탐색하기 위해.
• 이전의 단일 안테나 조사에 비해 향상된 감도를 갖춘 UCHiis를 대상으로 한 고감도 44 GHz CH₃OH 마저 목록을 구축하기 위해.

제안 방법

• 2010년부터 2017년까지 22 GHz(H₂O 마저) 및 44 GHz(Class I CH₃OH 마저)에서 민감한 단일 안테나 전파망원경을 사용해 다중 에포크의 전기 연속 및 스펙트럼 라인 조사를 수행하였다.
• 기존의 전기 및 적외선 성질에 기반해 103개의 UCHiis를 선별하였으며, 고질량 원형형성중 별 또는 초기 B형 별을 포함한 고질량 별 형성 영역을 중심으로 하였다.
• 분자의 라인 조사를 통해 시스템의 속도를 측정하여 마저 특징의 반사 속도를 태초 분자핵에 대한 상대 속도로 결정하였다.
• 운동 거리로부터 추정한 거리와 복사 밀도를 사용해 H₂O 및 CH₃OH 마저의 등방성 빛을 계산하였다.
• 중앙 별의 볼로메트릭 빛, 라디오 연속 빛(2 및 6 cm), 그리고 조밀핵의 서미리미터(850 µm) 연속 빛과 마저 빛을 상관관계 분석하였다.
• 다중 관측 에포크 간의 마저 선 프로파일을 비교하여 시간적 변동성을 분석하였으며, 일시적 또는 안정적인 특징을 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초박성수소이온영역에서 22 GHz H₂O 및 44 GHz Class I CH₃OH 마저의 감지율은 얼마이며, 이는 이전 조사와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 H₂O 및 CH₃OH 마저 활동이 고질량 별 형성의 UCHii 단계와 얼마나 겹치는가?
• RQ3 H₂O 및 CH₃OH 마저의 라인 속도가 태초 분자핵에 대해 상대적으로 어떻게 다를까?
• RQ4 6개월에서 1년 간격의 시간 간격에서 H₂O 및 CH₃OH 마저 선의 강도, 속도, 프로파일 형상은 어떻게 변동하는가?
• RQ5 중앙 별의 볼로메트릭 빛과 관련 조밀핵의 빛과의 상관관계에서 H₂O 및 CH₃OH 마저의 등방성 빛은 어떻게 연관되는가?

주요 결과

• H₂O 마저는 103개의 UCHiis 중 74개에서 감지되었으며(감지율 72%), CH₃OH 마저는 55개에서 감지되었으며(감지율 53%), 이는 UCHii 단계와의 강한 연관성을 시사한다.
• 감지된 소스 중 3개의 H₂O 마저 및 27개의 CH₃OH 마저 소스는 새로 발견된 것으로, 마저 방출 UCHiis의 알려진 샘플을 확장한다.
• H₂O 마저 라인은 자주 고속 성분을 보이며, 24개의 소스에서 상대 속도가 30 km s⁻¹ 이상, 13개의 소스에서 50 km s⁻¹ 이상로 나타나 동역학적 분출을 시사한다.
• H₂O 마저 방출은 빠른 변동성을 보이며, 6개월에서 1년 간격으로 선이 나타나고 사라지는 현상이 관측된다.
• 반면, CH₃OH 마저 라인은 동일한 시간 간격에서 강도, 속도, 형상에 대해 최소한의 변동성을 보이며, 안정적인 펌핑 조건을 의미한다.
• 두 마저 유형 모두 중앙 별의 볼로메트릭 빛과 강하게 상관관계를 보이며, 저질량 및 중간질량 별을 포함한 경우 더욱 두드러진다; 라디오 및 서미리미터 연속 빛과의 상관관계 역시 유의미하다.