[논문 리뷰] The CHESS chemical Herschel surveys of star forming regions: Peering into the protostellar shock L1157-B1. I. Shock chemical complexity

C. Codella, B. Leflóch외 3명|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 09.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 69

한 줄 요약

이 연구는 L1157-B1 원형성성성 충격파에 대한 첫 번째 편향 없는 HIFI 스펙트럼 조사 결과를 제시하며, H2O, NH3, H2CO, CH3OH, CS, HCN, HCO+와 같은 핵심 충격 트레이서 분자들의 고역동 에너지 선(약 ~200 K 이하)을 검출하였다. 분석 결과, 냉각(10–20 K) 및 고온(1000–2000 K) 상과 공존하는 따뜻한(≥200 K) 기체 성분이 존재함을 밝혀내었으며, 이는 원형성성성 분출에서 충격 화학과 진동 조건을 처음으로 연결한 것이다.

ABSTRACT

We present the first results of the unbiased survey of the L1157-B1 bow shock, obtained with HIFI in the framework of the key program Chemical Herschel surveys of star forming regions (CHESS). The L1157 outflow is driven by a low-mass Class 0 protostar and is considered the prototype of the so-called chemically active outflows. The bright blue-shifted bow shock B1 is the ideal laboratory for studying the link between the hot (around 1000-2000 K) component traced by H2 IR-emission and the cold (around 10-20 K) swept-up material. The main aim is to trace the warm gas chemically enriched by the passage of a shock and to infer the excitation conditions in L1157-B1. A total of 27 lines are identified in the 555-636 GHz region, down to an average 3 sigma level of 30 mK. The emission is dominated by CO(5-4) and H2O(110-101) transitions, as discussed by Lefloch et al. (2010). Here we report on the identification of lines from NH3, H2CO, CH3OH, CS, HCN, and HCO+. The comparison between the profiles produced by molecules released from dust mantles (NH3, H2CO, CH3OH) and that of H2O is consistent with a scenario in which water is also formed in the gas-phase in high-temperature regions where sputtering or grain-grain collisions are not efficient. The high excitation range of the observed tracers allows us to infer, for the first time for these species, the existence of a warm (> 200 K) gas component coexisting in the B1 bow structure with the cold and hot gas detected from ground.

연구 동기 및 목표

• L1157-B1 원형성성성 충격파에서 화학적 복잡성을 연구하기 위해, 화학적으로 활성적인 분출의 모델로 삼는다.
• 충격에 의해 화학적으로 풍부해진 따뜻한 기체 성분을 추적하여 냉각(10–20 K) 및 고온(1000–2000 K) 상 사이의 갭을 메운다.
• 고역동 에너지 회전 전이를 통해 충격 트레이서 분자들의 진동 조건(온도, 밀도)을 추론한다.
• 다양한 분자 농도 증가의 기원을 밝히기 위해, 먼지 막대에서 방출된 물질(예: NH3, H2CO, CH3OH)의 방출 프로파일을 H2O와 비교한다.
• RADEX와 LAMDA를 사용한 비-LTE 복사전달 모델링을 통해 분출 기체의 물리적 조건을 제약한다.

제안 방법

• Herschel/HIFI 기구를 사용하여 L1157-B1 충격파 방향으로 555–636 GHz 대역에서 편향 없는 스펙트럼 조사를 수행하였다.
• CO(5–4), H2O(110–101), NH3, H2CO, CH3OH, CS, HCN, HCO+ 등의 고역동 전이를 포함한 총 27개의 방출선을 확인하였다.
• 역행도를 적용하여 회전 온도를 유도: HIFI CH3OH 선의 경우 E-형(유효 에너지 Eu = 32–211 K)에서 106 K, 지상 기반 PdBI 데이터에서는 12 K.
• LAMDA 분자 데이터베이스를 사용한 비-LTE 복사전달 코드 RADEX를 적용하여 CH3OH 및 H2CO의 진동 조건을 모델링하였다.
• HIFI CS(12–11) 선과 지상 기반 CS(2–1) 및 (3–2) 선을 조합하여 운동 온도와 H2 밀도를 추론하였으며, 잠재적인 성분 분리 여부를 고려하였다.
• PdBI CH3OH 맵에서 유도된 충만 인자 ff = 0.13을 사용하여 열량 밀도를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고역동 분자 선으로 추적된 L1157-B1 충격파의 따뜻한 기체 성분의 진동 온도는 얼마인가요?
• RQ2 CH3OH 및 H2CO와 같은 충격 트레이서 분자들의 진동 조건(Tkin, nH2)은 다양한 진동 수준에서 어떻게 비교될 수 있나요?
• RQ3 충격 영역에서 증가한 분자 농도의 기원은 무엇인가요? 특히 NH3, H2CO, CH3OH와 같은 물질은 먼지 막대의 탈가스에서 유래하는지 아니면 기체 상 반응에서 생성되는 것인가요?
• RQ4 비휘류성 물질(예: CH3OH)의 관측된 선 프로파일이 H2O 방출과 어느 정도 상관이 있는가? 이는 공통된 형성 또는 방출 메커니즘을 시사하는가?
• RQ5 CH3OH 및 CS 전이의 비-LTE 분석을 통해 온도 및 밀도가 다른 여러 기체 성분을 구분할 수 있는가?

주요 결과

• CH3OH, H2CO 및 CS의 고역동 선을 근거로 L1157-B1에서 처음으로 운동 온도 ≥200 K인 따뜻한 기체 성분이 검출되었다.
• E-형 CH3OH 선(Eu = 32–211 K)의 비-LTE 분석 결과, 밀도 범위(10³–10⁷ cm⁻³) 내에서 운동 온도가 200 K를 초과하는 것으로 도출되었다.
• HIFI CS(12–11) 선과 지상 기반 CS(2–1) 및 (3–2) 선의 조합은 운동 온도 >300 K를 암시하지만, 성분 분리의 가능성을 고려해야 한다.
• 저속도(LV) 기체 성분은 중간속도(MV) 기체 성분(~4×10⁴ cm⁻³)보다 높은 H2 밀도(~10⁵ cm⁻³)를 가지며, 분출의 느린 움직임 영역에서 더 조밀한 물질이 있음을 시사한다.
• CH3OH의 저온 성분의 열량 밀도는 8×10¹⁴ cm⁻²로, 이전 지상 기반 관측 결과(Bachiller et al. 1995)와 일치한다.
• CH3OH의 고역동 성분은 열량 밀도 약 10¹⁴ cm⁻²를 가지며, 따뜻하고 조밀한 상에서의 상당한 방출을 시사한다.