[논문 리뷰] The CALYPSO IRAM-PdBI survey of jets from Class 0 protostars. Are jets ubiquitous in young stars ?

L. Podio, Benoît Tabone외 11명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 31.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 158인용 수 4

한 줄 요약

이 CALYPSO IRAM-PdBI 21개의 Class 0 원성운에 대한 조사에서는 원성운 분출류가 널리 퍼져 있음을 밝혀냈으며, 67%의 경우가 구속된 SiO (5–4) 분출류를 보이고, 77%는 동시에 SO (5₆–4₅) 방출도 나타냈다. 이 연구는 분출류 탐지율이 내부 빛의 세기와 함께 증가함을 발견했으며, 분출류는 SiO가 가장 구속되어 있음(α ≈ 10°), 그 다음 SO(α ≈ 15°), CO(α ≈ 25°)의 순서로 구조를 이루며, 이는 부하화점 근처 먼지 없는 바람에서 효율적인 SiO 생성을 시사한다.

ABSTRACT

As a part of the CALYPSO large programme, we constrain the properties of protostellar jets and outflows in a sample of 21 Class 0 protostars with internal luminosities, Lint, from 0.035 to 47 Lsun. We analyse high angular resolution (~0.5"-1") IRAM PdBI observations in CO (2-1), SO ($5_6-4_5$), and SiO (5-4). CO (2-1), which probes outflowing gas, is detected in all the sources (for the first time in SerpS-MM22 and SerpS-MM18b). Collimated high-velocity jets in SiO (5-4) are detected in 67% of the sources (for the first time in IRAS4B2, IRAS4B1, L1448-NB, SerpS-MM18a), and 77% of these also show jet/outflow emission in SO ($5_6-4_5$). In 5 sources (24% of the sample) SO ($5_6-4_5$) probes the inner envelope and/or the disk. The CALYPSO survey shows that the outflow phenomenon is ubiquitous and that the detection rate of high-velocity jets increases with protostellar accretion, with at least 80% of the sources with Lint>1 Lsun driving a jet. The protostellar flows exhibit an onion-like structure, where the SiO jet (opening angle ~10$^o$) is nested into a wider angle SO (~15$^o$) and CO (~25$^o$) outflow. On scales >300 au the SiO jets are less collimated than atomic jets from Class II sources (~3$^o$). Velocity asymmetry between the two jet lobes are detected in one third of the sources, similarly to Class II atomic jets, suggesting that the same launching mechanism is at work. Most of the jets are SiO rich (SiO/H2 from >2.4e-7 to >5e-6), which indicates efficient release of >1%-10% of silicon in gas phase likely in dust-free winds, launched from inside the dust sublimation radius. The mass-loss rates (from ~7e-8 to ~3e-6 Msun/yr) are larger than what was measured for Class II jets. Similarly to Class II sources, the mass-loss rates are ~1%-50% of the mass accretion rates suggesting that the correlation between ejection and accretion in young stars holds from 1e4 yr up to a few Myr.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 밀리미터파 관측을 분석하여 Class 0 원성운에서 원성운 분출류의 널리 퍼져 있는지 여부를 규명하는 것.
• CO (2–1), SO (5₆–4₅), SiO (5–4) 방출선을 이용하여 분자 분출류와 분출류의 운동학, 구속성 및 공간적 구조를 조사하는 것.
• 분출류 질량 손실률, 동량 유량 및 기계적 빛의 세기를 추정하고, 이와 수축률을 비교하여 분출류-수축률 상관관계를 검증하는 것.
• 분출류 내 SiO 및 SO의 화학 농도를 평가하고, 원성운 근처의 물리 조건과 분출류 발생 메커니즘을 추론하는 것.
• Class 0 원성운에서 관측된 분출류 특성이 Class II T Tauri 별의 것과 일치하는지 평가하며, 특히 구속성, 비대칭성 및 분출 효율성 측면에서 비교하는 것.

제안 방법

• 밀리미터 파장에서 고각해상도(0.′′5–1.′′0) 간섭계 관측을 수행하여 IRAM Plateau de Bure 간섭계(PdBI)를 사용하였다.
• 세 가지 핵심 분자 트레이서를 대상으로 하였다: 분출 기체를 위한 CO (2–1), 중간 속도 충격을 위한 SO (5₆–4₅), 고속 분출류를 위한 SiO (5–4).
• 복사전달 및 진동 모델을 사용하여 분자 상층 밀도, 농도 및 질량 손실률을 유도하기 위해 통합 선 강도를 측정하였다.
• 기계적 빛의 세기를 $ L_{\text{jet}} = \frac{1}{2} \dot{M}_{\text{jet}} V_{\text{jet}}^2 $ 로 추정하고, 내부 빛의 세기 $ L_{\text{int}} $ 와 비교하여 에너지 예산을 평가하였다.
• 속도 기울기와 공간 형태를 분석하여 분출류 림보의 진동, 휘두름 및 비대칭 분출을 식별하는 것.
• SiO (5–4) 방출의 광학 두께를 평가하여 SiO가 분출류 뭉치에서 광학 두꺼운지 여부를 판단함으로써 충격 및 화학 모델에 정보를 제공하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Class 0 원성운에서 원성운 분출류는 널리 퍼져 있는가? 그리고 그 탐지율은 내부 빛의 세기에 어떻게 연관되어 있는가?
• RQ2 분출류와 분출류의 공간적 및 운동학적 구조는 어떻게 되어 있으며, CO에서 SiO로 갈수록 구속성이 증가하는 '양파 껍질 구조'를 보이는가?
• RQ3 Class 0 분출류의 질량 손실률과 기계적 빛의 세기는 무엇이며, 이는 수축률과 내부 빛의 세기와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 왜 분출류 내 SiO의 농도가 매우 높은가(예를 들어 H₂ 대비 $ >5 \times 10^{-6} $)? 이는 분출류 발생 메커니즘과 먼지 처리에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 Class 0 분출류의 구속성과 비대칭성은 Class II 원자 분출류와 어떻게 비교되는가? 이는 발생 메커니즘이 보편적인가를 시사하는가?

주요 결과

• 모든 21개의 Class 0 원성운에서 분출 기체를 위한 CO (2–1) 방출이 감지되어, 이 단계의 별 형성에서 분출류가 널리 퍼져 있음을 확인하였다.
• 신호 대 잡음비가 충분한 18개 중 67%의 소스에서 고속 구속 SiO (5–4) 분출류가 감지되었으며, 이 중 77%는 동일한 SO (5₆–4₅) 방출도 나타냈다.
• 중간 개방 각도는 SiO가 10°, SO가 15°, CO가 25°로, 가장 구속된 방출이 가장 내부 분출류를 나타내는 '양파 껍질 구조'를 확인하였다.
• 대부분의 분출류에서 H₂ 대비 SiO의 농도는 $ >2.4 \times 10^{-7} $ 에서 $ >5 \times 10^{-6} $ 사이였으며, 이는 원소 실리콘의 1%~10%가 기체 상으로 효율적으로 방출되었음을 시사하며, 먼지 없는 바람과 일치한다.
• 분출류 질량 손실률은 $ 7 \times 10^{-8} \, M_\odot \, \text{yr}^{-1} $ 에서 $ 3 \times 10^{-6} \, M_\circ \, \text{yr}^{-1} $ 사이였으며, 이는 Class II 원자 분출류보다 최대 5개 지수 높은 수준이었다.
• 분출류 기계적 빛의 세기 $ L_{\text{jet}} $ 는 60%의 분출류에서 내부 빛의 세기의 10%~50%였으며, 이는 수축 에너지가 기계적 에너지로 효율적으로 전환되었음을 시사하며, $ \dot{M}_{\text{jet}} \sim 0.1-0.5 \dot{M}_{\text{acc}} $ 로 나타나 수축률과의 상관관계가 별의 진화 단계 전반에 걸쳐 일관됨을 확인하였다.